Интерфейсы средств автоматизации

1

УДК 681.372.8 (075.8) Ю.И.Иванов, В.Я.Югай. Интерфейсы средств автоматизации: Учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. – 252 c. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 550200 «Автоматизация и управление», и содержит сведения, необходимые при изучении курсов «Технические средства автоматизации и управления», «Микропроцессорные устройства систем управления», «Электронные устройства автоматики». В учебном пособии рассмотрены алгоритмы работы стандартных интерфейсов, применяемых для организации взаимодействия элементов в современных системах автоматизации, приведены данные по электронным компонентам, предназначенным для построения интерфейсов, даны рекомендации по применению и технической реализации интерфейсов. Печатается по решению pедакционно-издательского совета Таганpогcкого государственного радиотехнического университета.

Рецензенты: А.Н.Целых – д-р техн. наук, профессор, директор регионального (областного) центра новых информационных технологий, проректор по информатике ТРТУ; Я.Е.Ромм – д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой информатики ТГПИ.

ISBN 5-8327-0205-0

2

© Таганрогский государственный радиотехнический университет, 2005 © Иванов Ю.И., Югай В.Я., 2005

CОДЕPЖАHИЕ ВВЕДЕHИЕ

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

. 5

1. ИНТЕРФЕЙСЫ "точка-точка" 1.1. Интерфейс "токовая петля" 1.2. Интерфейс RS-232 (UART) . 1.3. Интерфейс SPI . . . .

. . . .

. . . .

. . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. 8 . 8 22 36

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . .. . .

42 42 45 45 53 61 81 91

3. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ МНОГОТОЧЕЧНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ 3.1. Интерфейс RS-485 . . . . . . . . . . . . 3.2. Интерфейс USB . . . . . . . . . . . . .

.99 99 119

4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ . . . . . . 4.1. CAN сети . . . . . . . . . . 4.1.1. Физический уровень CAN сети . . 4.1.2. Канальный уровень CAN сети . . . 4.1.3. CAN HLP протоколы . . . . . . 4.1.4. Средства реализации CAN технологии 4.2. Сети PROFIBUS . . . . . . . .

2. ИНТЕРФЕЙСЫ "ближнего радиуса действия" 2.1. Параллельные интерфейсы . . . 2.2. Беспроводные интерфейсы . . . . 2.2.1 Оптический интерфейс IrDA . . 2.2.2. Интерфейсы с радиоканалом . . 2.3. Приборный интерфейс I2C . . . . 2.4. Приборный интерфейс 1-W . . . . 2.5. Высокоскоростной интерфейс LVDS .

. . . . . . .

. . . . . . .

5. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИНТЕРФЕЙСНЫЕ СРЕДСТВА 5.1. Компоненты гальванической изоляции . . . . 5.1.1. Изоляторы с оптической связью . . . 5.1.2. Изоляторы с емкостной связью . . . . 5.1.3. Изоляторы с трансформаторной связью . 5.1.4. Изоляторы с магниторезисторами . . . . 5.1.5.Изоляторы с элементом Холла . . . . . 5.2. Оптоволоконные приемопередатчики . . . . 5.3. Модули сотовой связи . . . . . . . . ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

.

.

.

.

.

. . . . . . .

. . . . . . .

144 145 146 149 155 159 182

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

191 191 192 201 207 219 224 228 243

.

.

.

.

.

.

.

.

249

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

.

.

.

.

.

.

.

251 3

Книгу о сущности машин должно прежде всего писать как книгу об их применении... Леонардо да Винчи. Мадридский кодекс

4

ВВЕДЕНИЕ Распространение новых информационных технологий, основанных на достижениях микроэлектроники последней четверти ХХ века, привело к значительным изменениям в самых различных областях. Применение новых средств и технологий обработки данных позволило существенно расширить функциональные возможности и сложность решаемых задач в системах автоматизации. В настоящее время системы автоматического управления могут эффективно решать задачи на уровнях, начинающихся от управления отдельными узлами и устройствами и заканчивающихся управлением технологическими установками и целыми производствами. Эти достижения основаны на широком применении цифровых алгоритмов и средств обработки данных. Вес и роль аналоговых средств существенно снизились в силу недостаточной точности, стабильности, функциональной гибкости и технологичности. Основная область применения аналоговых устройств – предварительная обработка сигналов для преобразования в цифровой формат. Одним из важнейших факторов прогресса в средствах автоматизации является “интеллектуализация” устройств, включая и устройства, выполняющие наиболее простые функции: измерительные датчики, исполнительные устройства, средства сигнализации и т.п. Кроме необходимых основных функций "интеллектуальные" технические средства могут реализовать множество вспомогательных, зачастую более сложных алгоритмов преобразования данных при относительно невысоких дополнительных затратах. Эта функциональная избыточность позволяет использовать при решении разнообразных задач одни и те же технические средства, несмотря на различие требований, реализуемых алгоритмов и функций. Очень часто выбор определенных параметров, режимов и алгоритмов работы программируется, т.е. определяется специальными процедурами настройки. Общеизвестно, что наиболее эффективно создание не отдельных локальных систем управления, а комплексных многоуровневых систем. На первом уровне производится управление отдельными узлами и элементами, контроллеры первого уровня работают под управлением следующего, второго уровня. Координация работы элементов этого уровня также должна производиться находящимся над ним следующим уровнем и т.д. Такие системы управления становятся распределенными как по решаемым задачам, так и по месту нахождения. Конечно, алгоритмы работы систем управления при переходе от уровня к уровню существенно изменяются, и это предъявляет разные требования к техническим средствам. Тем не менее, существует много общих или подобных задач, которые решаются на разных уровнях, и поэтому различия в технических средствах могут быть не слишком существенными. 5

Весьма важным элементом в работе средств управления стала организация надежного обмена данными между различными уровнями, в пределах одного уровня и даже внутри отдельной локальной системы. Очевидно, что эффективность взаимодействия элементов систем управления в значительной степени зависит от эффективности обмена данными. Именно поэтому в современных системах управления уделяется большое внимание этим вопросам. При этом следует учитывать, что усложнение алгоритмов организации передачи данных в большинстве случаев не вызывает особых проблем, а выбор физических каналов связи в значительной степени влияет на техникоэкономические характеристики. В целом, требования, предъявляемые к средствам передачи данных весьма противоречивы, и поиск рационального решения является разумным компромиссом между этими противоречиями. Существенно облегчает построение средств передачи данных высокий уровень стандартизации в этой области[1-3]. В настоящее время существуют разнообразные стандартные телекоммуникационные технологии. Эти технологии включают и алгоритмы организации передачи данных, и средства реализации алгоритмов вплоть до физических каналов связи и передаваемых по ним сигналам. Как правило, ведущие мировые производители выпускают электронные компоненты, необходимые для реализации стандартных технологий передачи данных. Кроме того, различные функциональные модули, предназначенные для систем автоматического управления, содержат встроенные средства передачи данных. От применяемых средств и алгоритмов организации обмена данными существенно зависят общие техникоэкономические характеристики, поэтому их выбор требует самого серьезного внимания. Совокупность средств, необходимых для организации обмена данными, принято называть интерфейсом [1]. Общий интерфейс обеспечивает информационную, электрическую и конструктивную совместимость элементов любой системы. Информационная совместимость предполагает использование общих форматов данных, алгоритмов управления, способов кодирования, адресации и т.п. Электрическая совместимость предполагает согласованность параметров используемых сигналов, линий связи, временных характеристик и т.д. Конструктивная совместимость – использование стандартных конструктивных элементов: разъемов, конструктивных модулей и т.п. В обобщенном виде вопросы согласованной работы элементов распределенных систем преобразования информации рассматриваются в модели взаимодействия открытых систем – модели OSI [1-3]. Обеспечение информационной совместимости в основном можно отнести к задачам канального уровня модели OSI, а электрическая и конструктивная совместимость – это классические функции физического уровня. Таким образом, интерфейсы включают решение задач этих двух уровней модели OSI и должны содержать 6

средства этих двух уровней, необходимые для реализации эффективного обмена данными. Для классификации интерфейсов можно использовать различные признаки: топологию связей, форматы и режимы передачи данных, функциональное назначение, логическую организацию и т.д. В средствах автоматизации основной классификационный признак – функциональное назначение. Остальные характеристики интерфейсов можно рассматривать как вторичные, обеспечивающие требуемые функциональные свойства. В настоящее время применяются интерфейсы различного функционального назначения: от простых интерфейсов "точка-точка" для симплексного обмена данными с датчиками или исполнительными устройствами локальных систем управления до телекоммуникационных технологий промышленных сетей. Например, средства SIMATIC NET (Siemens) содержат AS-интерфейс – упрощенную технологию локальной сети для обмена данными между контроллерами управления, датчиками и исполнительными устройствами; сеть PROFIBUS – классическую технологию промышленных сетей для обмена данными между локальными системами управления и их элементами; Industrial Ethernet – технология компьютерных сетей для обеспечения информационного взаимодействия верхних уровней распределенных систем управления. Следует отметить, что интерфейсы с параллельным форматом данных, например, приборные интерфейсы IEEE-488, CAMAC [1] в настоящее время применяются редко из-за большого числа линий связи для обмена сигналами. В современных интерфейсах применяются алгоритмы сетевых телекоммуникационных технологий, и поэтому практически всегда используется последовательный формат данных и общий канал связи для нескольких устройств.

7

1. ИНТЕРФЕЙСЫ "точка-точка" Двухточечные интерфейсы в основном разработаны в рамках применяемых достаточно длительное время стандартов и в настоящее время необходимы для работы с широко распространенными техническими средствами. Например, интерфейс RS-232 (стандарт EIA) COM-порта персонального компьютера (PC) поддерживается многими устройствами, хотя существует и более эффективный интерфейс USB. Следует также учитывать, что современные многоточечные интерфейсы требуют реализации более сложных алгоритмов обмена данными. Кроме этого, основанная область применения двухточечных структур – интерфейсы передачи аналоговых сигналов. В аналоговых интерфейсах, без преобразования сигналов в цифровой формат, приемлемой альтернативы пока нет. 1.1. Интерфейс "токовая петля" Основная область применения – передача аналоговых сигналов на расстояние до десятков метров (рис. 1.1). При передаче стандартных токовых сигналов, например 4-20 мА, меньше влияние помех и параметров линий связи. Этот интерфейс широко применяется в различных аналоговых датчиках (давления, температуры и т.п.). Ненулевое начальное значение токового сигнала (i(X)=4 мА при X=0, см. график на рис. 1.1) используется для контроля i(X) 20 мА Аналоговый Rлс датчик

i(X)

Rлс

Преобразователь АЦП ток/напряжение Rвх

4 мА

X

работы интерфейса: ток менее 4 мА – признак неисправности. Рис. 1.1. Аналоговый интерфейс "токовая петля" В приемниках интерфейса токовые сигналы обычно преобразуются в напряжения (преобразователи ток-напряжение) для дальнейшего преобразования в цифровой формат (рис. 1.1). Необходимо учитывать, что входное сопротивление приемника (Rвх, рис. 1.1) не должно превышать определенной максимальной величины. Чем меньше величина Rвх, тем меньше погрешно8

сти, связанные с передачей сигнала по линии связи. Погрешности преобразования, определяемые параметрами элементов приемника, должны минимизироваться применением прецизионных компонентов. Кроме аналогового токового сигнала интерфейс не содержит каких-либо других средств обмена данными. Дополнительные функции можно реализовать применением цифровых коммуникационных средств. Например, протокол HART в дополнение к токовому аналоговому сигналу позволяет передавать поток цифровых данных для выполнения функций управления. Протокол HART реализован в устройствах децентрализованной периферии ET200iS SIMATIC (Siemens). К аналоговому сигналу "токовой петли" 4-20 мА для передачи цифровых данных добавляются двухчастотные токовые сигналы ("1" – 1200 Гц, "0" – 2200 Гц, амплитуда переменного тока 0,5 мА) с нулевой постоянной составляющей. Применением фильтров сигналы можно разделить, обеспечивая их полную независимость. В "интеллектуальных" периферийных модулях кроме передачи аналогового сигнала протокол HART позволяет обеспечить выполнение стандартных дополнительных функций: управление параметрами и режимами, диагностика, отображение информации о параметрах и режимах и т.п. Несмотря на ограниченные возможности, области применения интерфейса остаются достаточно широкими, так как существует большое число датчиков – преобразователей различных физических величин в аналоговые электрические сигналы. Для построения средств передачи и преобразования аналоговых сигналов по интерфейсу "токовая петля" многие ведущие фирмы выпускают специальные интегральные микросхемы. Применение этих интегральных микросхем существенно упрощает решение всех задач, связанных с преобразованием аналоговых сигналов. Эти микросхемы позволяют создавать не только приемопередатчики токовых сигналов, но и прецизионные преобразователи сигналов для датчиков различных типов. В таблице 1.1 приведен перечень микросхем для построения интерфейса “токовая петля”, выпускаемых фирмой Texas Instruments (TI). Эта информация, также как и последующие примеры применения этих микросхем, подготовлены на основе информационных материалов фирмы TI [www.ti.com].

9

10 Таблица 1.1

Микросхема RCV420 является приемником токового сигнала, на рис. 1.2 приведена ее структурная схема. Помимо приемника, выполненного на операционном усилителе и прецизионных резисторах, микросхема содержит

прецизионный источник опорного напряжения 10 В. Рис. 1.2. Структурная схема RCV420 Пример включения RCV420 в качестве преобразователя тока 4-20мА в напряжение 0-5В приведен на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Преобразователь сигнала 4-20 мА в 0-5 В 11

Для получения инверсной зависимости (4-20 мА в 5-0 В) применяется схема включения, показанная на рис. 1.4. В этой схеме напряжение внутреннего опорного источника (10 В) через внешний прецизионный делитель (12 кОм, 20 кОм) и дополнительный операционный усилитель OPA237 суммируется с поступающим входным сигналом. Это обеспечивает формирование выходного напряжения 5 В при входном токе 4 мА и напряжения 0 В – при 20 мА с сохранением требуемой линейности характеристики преобразования.

Рис.1.4. Преобразователь сигнала 4-20 мА в 5-0 В Микросхему RCV420 можно использовать для преобразования выходного сигнала и в датчиках тока (например, тока якоря двигателя постоянного тока). В зависимости от полярности напряжения на нагрузке рекомендуются две схемы включения RCV420 (рис. 1.5). Внешний резистивный датчик RX и входное сопротивление RCV420 (RS=75 Ом) образуют делитель тока, который обеспечивает масштабирование измеряемого тока: RX I IN = I L . R X + RS Входной ток IIN микросхемой RCV420 преобразуется в сигнал напряжения пропорционального току IL в контролируемой цепи. Величина сопротивления датчика RX определяет диапазон измеряемых токов и значение коэффициента преобразования для датчика.

12

Рис. 1.5. Схемы включения RCV420 в качестве датчиков тока

13

Передатчики токовых сигналов семейства XTR (табл. 1.1) отличаются диапазоном входных напряжений, наличием или отсутствием встроенных опорных источников, возможностью подключения к различным датчикам. Дополнительной особенностью передатчиков является то, что двухпроводная сигнальная линия используется одновременно и как шина питания. Структурная схема микросхемы XTR101 приведена на рис. 1.6. Передатчик токового сигнала может работать в режиме преобразователя напряжениеток (рис. 1.7) или в режиме преобразователя сопротивление-ток (рис. 1.8).

Рис. 1.6. Структурная схема микросхемы XTR101 14

Рис. 1.7. Преобразователь напряжение-ток

Рис. 1.8. Преобразователь сопротивление-ток 15

В преобразователе напряжение-ток (рис. 1.7) входной сигнал e2 поступает на вход 4 XTR101, коэффициент преобразования определяется внешним прецизионным резистором RS, величина начального смещения (стандартное значение – 4 мА) регулируется подстроечным резистором, подключенным к выводам 1, 2, 14 микросхемы. Напряжение питания для преобразователя (24 В) поступает через выходную сигнальную цепь. Для резистивных датчиков, выходной сигнал которых пропорционален изменению их сопротивления, предназначен преобразователь сопротивлениеток (рис. 1.8). В этой схеме сопротивление датчика преобразуется в напряжение на входе 4 подачей эталонного тока 1 мА от внутреннего прецизионного опорного источника тока (вывод 11). В остальном, свойства и назначение элементов этого преобразователя аналогичны схеме на рис. 1.7. Существуют различные датчики, требующие предварительного преобразования сигналов из-за их малых уровней, нелинейности характеристик преобразования, специальных цепей подключения и т.п. Далее будут рассмотрены примеры преобразователей для подключения таких датчиков. Высокочувствительный преобразователь для тензорезистивного моста может быть построен на основе XTR106 (рис. 1.9). Тензодатчики, которые применяют для измерения механических деформаций, обладают и малой чувствительностью, и существенной нелинейностью характеристик. Обычно группа этих датчиков образует измерительный мост. При измеряемой деформации одна часть тензорезистивных датчиков увеличивает сопротивление, а другая – уменьшает. Такое дифференциальное включение позволяет существенно облегчить формирование выходного сигнала. В преобразователе с токовым выходным сигналом (рис. 1.9) напряжение питания тензорезистивного моста поступает от внутреннего прецизионного источника опорного напряжения микросхемы XTR106. Два дополнительных операционных усилителя OPA2277 вместе с внутренними элементами XTR106 образуют прецизионный инструментальный усилитель для выходных сигналов тензорезистивного моста. Коэффициент преобразования инструментального усилителя регулируется резистором RG. Выходной ток преобразователя формируется внешним биполярным транзистором. В этой и последующих схемах для облегчения теплового режима работы микросхем применяется внешний полевой или биполярный транзистор. Преобразователи XTR112 и XTR114 рекомендуется применять для термопар (рис. 1.10) и терморезисторов (рис. 1.11). Термопары требуют предварительного усиления их выходного сигнала (дополнительный усилитель OPA2277, рис. 1.10). Преобразователь для терморезисторов (рис. 1.11) построен по классической схеме преобразователя сопротивление-ток.

16

17

Рис. 1.9. Применение XTR106 для тензорезистивного моста

18 Рис. 1.10. Применение XTR112 для термопары

19

Рис. 1.11. Применение XTR112 для терморезистора

20 Рис. 1.12. Преобразователь напряжение-ток XTR110

Для больших значений входного напряжения наилучшим образом подходит XTR110. Схема включения этого преобразователя приведена на рис. 1.12, в данной схеме диапазон изменения входного напряжения увеличен до 10 В.

Рис. 1.13. Преобразователь напряжение-ток повышенной мощности (напряжение 0-10 В, ток 0-10 А). Еще одной особенностью микросхемы XTR110 является то, что на ее основе можно построить мощный преобразователь напряжение-ток с однополярным (рис. 1.13) или двуполярным выходом. Обратная связь по выходному току преобразователя (рис. 1.13) обеспечивается внешним резистором REXT, сопротивление этого резистора определяет уровень выходного тока. Для указанных на схеме (рис. 1.13) параметров выходной ток 10 А при входном напряжении 10 В. Необходимо учитывать, что мощность, рассеиваемая на выходном МОП-транзисторе, может превышать 200 Вт.

21

1.2. Интерфейс RS-232 (UART) Интерфейс RS-232 (стандарт EIA) был создан для сопряжения персонального компьютера (PC) и аппаратуры передачи данных (модема) с использованием синхронно-асинхронного режима передачи на расстояние до нескольких метров [1-3]. Стандарт предусматривает два типа разъемов DB25 и DB9 с 8 сигналами. Данные передаются по 2 независимым цепям RxD, TxD приемопередатчиков интерфейса (UART1, UART2 на рис. 1.14) и позволяют использовать дуплексный режим обмена, остальные 6 сигналов предназначены для управления обменом данных. В современных реализациях интерфейса эти сигналы не используются, предполагается постоянная готовность приемопередатчиков к обмену данными (интерфейс UART). Применяемые алгоритмы управления вместо формирования управляющих сигналов производят передачу управляющих сообщений вместе с основными данными через сигнальные цепи RxD, TxD.

Сигналы управления

UART1

RxD

Данные

UART2

RxD

TxD

TxD

GND

GND

Рис. 1.14. Интерфейс RS232 Для функций управления и контроля данных можно использовать алгоритмы и средства стандартных протоколов канального уровня. Эти алгоритмы управления и контроля реализуются как дополнение к интерфейсу UART, используя его стандартный, обычно однобайтовый, формат отдельного сообщения. Инициализация с выбором параметров и режимов должна производиться перед началом работы, каких-либо средств автоматической инициализации интерфейс не содержит. В настоящее время интерфейс применяется как средство физического уровня в интерфейсах "точка-точка" с невысокой скоростью передачи данных 2,4 – 115,2 кбит/с. Наиболее часто используется асинхронный режим с форматом отдельного сообщения: стартовый бит – 5-8 бит данных – стоповый бит (UART-кадр). Стартовый и стоповый биты отмечают начало и конец 22

сообщения и позволяют обеспечить синхронизацию приемопередатчиков и контроль длины сообщения; стартовый бит – сигнал логического нуля в течение 1 такта, а стоповый бит – сигнал логической единицы. Дуплексный режим передачи данных предполагает независимость работы приемника и передатчика интерфейса. Поэтому они содержат независимые схемы управления и регистры данных. Обычно запись байта данных в регистр передатчика приводит к старту процедуры передачи UART-кадра, а завершение приема UART-кадра формирует сигнал готовности байта данных к считыванию из регистра приемника. Из-за несложных алгоритмов управления, универсальности и возможности дуплексного обмена данными интерфейс UART широко применяется как стандартный последовательный интерфейс связи между различными техническими средствами автоматизации. Например, микроконтроллеры семейств AVR, PIC и многие другие содержат встроенные средства аппаратной реализации интерфейса UART, через которые могут быть подключены внешние устройств, обеспечивающие поддержку других современных интерфейсов LVDS, 1-W, IrDA, RS-485, CAN и т.п. Если применяемые технические средства не содержат встроенного интерфейса UART, можно использовать специальные микросхемы UART. Эти микросхемы (рис. 1.15) преобразуют параллельный формат данных в последовательный, обеспечивают хранение данных в буферных запоминающих устройствах, формируют необходимые сигналы управления интерфейса, запросы прерываний для обработки данных передаваемых интерфейсом и т.п. Компания EXAR [www.exar.com] является признанным лидером в области

производства микросхем UART. Рис. 1.15. Передача данных с помощью микросхем UART Некоторые характеристики и особенности микросхем UART этой фирмы приведены на рис. 1.16.

23

24

Рис. 1.16. Классификация микросхем UART фирмы EXAR

Самым простым среди 8-разрядных UART является микросхема ST16C450 (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Структурная схема ST16C450 Это устройство полностью совместимо с промышленным стандартом 16450 и обладает следующими свойствами: • раздельное управление приемом и передачей; • программно управляемая скорость передачи (от 50 бит/с до 1.5 Мбит/с); • сигналы управления модемом (CTS, RTS, DSR, DTR, RI и CD); • программируемая длина передаваемых символов (5, 6, 7 и 8 бит); • генерация и обнаружение битов четности; • низкий потребляемый ток – 1.2 мА. 25

Кроме традиционных UART с 8-разрядной параллельной шиной, фирма EXAR производит 32-разрядные UART для работы с шиной PCA. Внутренние буферы FIFO предназначены для разгрузки процессорного ядра и позволяют уменьшить число прерываний для обслуживания UART. Например, микросхема UART типа XR16C85x с объемом FIFO 128 байт может накапливать в буфере целую страницу данных, увеличивая длительность передачи без прерываний CPU. Ранее было отмечено, что интерфейс RS-232 предусматривает применение двух типов разъемов: DB9 и DB25. Назначение контактов разъемов приведено в табл. 1.2. Таблица 1.2 № контакта № контакта ОбознаНазначение DB9 DB25 чение 1 8 DCD Детектор сигнала с линии (несущей) 2 3 RD Прием данных 3 2 TD Передача данных 4 20 DTR Готовность терминала 5 7 SG Сигнальное заземление 6 6 DSR Готовность данных 7 4 RTS Запрос передачи 8 5 CTS Готовность к передаче 9 22 RI Индикатор вызова Достаточно часто сигналы интерфейса формируются со стандартными логическими уровнями (0-5 В), а по протоколу RS-232 уровни напряжений составляют ±12 В. Приемопередатчики для преобразования физических уровней сигналов интерфейса UART, называемые драйверами COM-порта, выпускаются многими производителями интегральных микросхем. Отличаются микросхемы числом приемников и передатчиков, питающими напряжениями, потребляемой мощностью, максимальной скоростью передачи, а также наличием встроенных конденсаторов и некоторыми другими параметрами. Лидерами по производству микросхем в этой области являются фирмы Maxim [www.maxim-ic.com] и Analog Devices. Перечень микросхем RS-232 Line Driver/Receivers, выпускаемых фирмой Maxim, состоит из 150 наименований, фрагмент перечня приведен в табл. 1.3. Аналогичный перечень для Analog Devices приведен в табл. 1.4. В стандартных применениях интерфейс RS-232 используется для соединения двух устройств. Одно из этих устройств является передатчиком, а другое – приемником. В этой связи сигналы линии связи RS-232 приемником и передатчиком формируются и обрабатываются по-разному. 26

27

Таблица 1.3

Rx

Режим энергосбереже-ния

Состояние RxD

Конденсаторы

116 116 116 120 120

4 4 8 2 2

5 5 0 2 2

Yes Yes Yes No No

2 0 0 n/a n/a

4 4 0 4 0

ADM231L

120

2

2

No

n/a

2

ADM232L ADM233L

120s 120

2 2

2 2

No No

n/a n/a

4 0

ADM209

120

3

5

No

n/a

2

ADM239L

120

3

5

No

n/a

2

ADM234L ADM206 ADM236L ADM208 ADM238L ADM211 ADM213 ADM241L ADM207 ADM237L ADM5180 ADM222 ADM232A ADM242 ADM1181A ADM202E ADM206E ADM208E

120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 200 200 200 200 230 230 230 230

4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 0 2 2 2 2 2 4 4

0 3 3 4 4 5 5 5 3 3 8 2 2 2 2 2 3 4

No Yes Yes No No Yes Yes Yes No No No Yes No Yes No No Yes No

n/a 0 0 n/a n/a 0 2 0 n/a n/a n/a 0 n/a 2 n/a n/a 0 n/a

4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 0 4 4 4 4 4 4 4

28

ADM560 ADM561 ADM5170 ADM202 ADM203

3.3 3.3 ±10 5 5 +5 & +12 5 5 +5 & +12 +5 & +12 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

Ток потребления (мА)

Tx

Тип

Напряжение питания (В)

Скорость (кбит/с)

Таблица 1.4

3 3 36 6 6 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 5 8 8 8 6 6 13 13

Rx

Режим энергосбереже-ния

Состояние RxD

Конденсаторы

230 230 230 460s 460 460 460 460 460 460 460s

4 4 5 1 2 2 2 3 3 3 3

5 5 3 1 2 2 2 3 5 5 3

Yes Yes No Yes Yes No Yes Yes Yes Yes Yes

0 2 n/a 1 2 n/a 2 1 2 1 1

4 4 4 2 4 4 4 5 5 5 5

ADM2209E

920

6

10

Yes

2

2

ADM3307E AD7306

1000 5000

5 3

3 2

Yes No

1 n/a

5 4

ADM211E ADM213E ADM207E ADM101E ADM1385 ADM3202 ADM3222 ADM3312E ADM3310E ADM3311E ADM3315E

5 5 5 5 3.3 3.3 3.3 2.7 2.7 2.7 2.7 +3.3 & +12 2.7 5

Ток потребления (мА)

Tx

Тип

Напряжение питания (В)

Скорость (кбит/с)

Окончание табл. 1.4

13 13 13 1 3 2.1 3 1 0.85 1 0.85 5 1.5 15

Устройство-передатчик (например, компьютер) в системе передачи данных принято называть оконечным оборудованием данных или DTE (Data Terminal Equipment), а приемник (например, модем) – устройством аппаратуры передачи данных или DCE (Data Communication Equipment). Направление передачи сигналов между DTE и DCE показано в табл. 1.5. Как видно из табл. 1.5, каждый сигнал выходной для одного устройства и входной – для другого. Например, для DTE-устройства сигнал передаваемых данных TD является выходным, а для DCE-устройства сигнал TD является входным. DCE-устройство формирует сигнал DCD (если это модем, то он определяет наличие несущего сигнала в телефонной линии), а DTE-устройство принимает этот сигнал и т.п.

29

Устройство DTE DCD RD TD DTR SG DSR RTS CTS RI

Направление передачи ← … ← ← … ← → … → → … → SG SG ← … ← → … → ← … ← ← … ←

Таблица 1.5 Устройство DCE DCD RD TD DTR SG DSR RTS CTS RI

В некоторых случаях возникает задача обеспечить работу интерфейса RS232 между двумя однотипными устройствами, например, необходимо обеспечить соединение DTE-DTE (компьютер-компьютер). Соединения между разъемами в этом случае определяются коммуникационными программами, используемыми компьютерами. В минимальной конфигурации кабель, соединяющий два устройства, должен содержать три провода: один – для объединения сигнальной земли SG, второй и третий – для передачи сигналов TD и RD (рис. 1.18), причем необходимо выполнить перекрестное соединение сигналов. Такой кабель, например, может обеспечить соединение двух компьютеров с помощью встроенной в Windows программы Hyper Terminal. Если компьютер “предполагает”, что он работает с модемом, то, в этом случае, можно применить нуль-модемный кабель (рис. 1.19). На этом рисунке цифрами обозначены контакты разъема DB25M, а штриховой линией - провод “защитной земли”– GND. DTE

DTE DB9

Конт.

Конт.

DB9

RD

2

2

RD

TD

3

3

TD

SG

5

5

SG

Рис. 1.18. Трехпроводный вариант RS-232

30

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 интерфейсов соединяемых устройств. Вариант кабеля “г” позволяет “убедить” компьютер в постоянной готовности внешнего устройства DTE к приему и передаче сигналов. 31

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, содержащих полный набор таких преобразователей. Например, MAX3246E, MAX3241E, MAX239, MAX209 и MAX3245E состоят из трех преобразователей 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. 32

Благодаря встроенным преобразователям напряжений, питание микросхем обеспечивается от единственного источника питания (3-5.5 В), но это требует подключения четырех внешних конденсаторов. Если в разрабатываемом 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 помощью интерфейса RS-232 достаточно двух сигналов: TD и RD. Для таких применений 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 непосредственно от сигнальных цепей COM-порта компьютера (рис. 1.23).

33

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 драйверов подключены к выходам микросхем через токоограничивающие резисторы 300 Ом. В этой связи максимальный ток нагрузки стабилизатора напряжения 78L05 не может быть больше 30-40 мА.

34

+ C5 C1

RS-232

+

C3

1

16

DB9M COM-порт Наимен.

Конт.

TD

3

RD

2

DTR

4

RTS

7

SG

5

C2

MAX3227E

+ + + 8

MCU TD 9

C4 VD1

VD2

In

+ C6

78L05

Vcc

RD

Out

C7

+

C1-C5 0.1 мкФ С6-С7 47 мкФ

VD1-VD2 1N4148

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

35

1.3. Интерфейс SPI Синхронный последовательный интерфейс SPI предназначен для вводавывода данных в интерфейсах "точка-точка" с одним ведущим (SPI-master) и одним ведомым (SPI-slave) устройством (рис. 1.24). Схема управления SPImaster формирует тактовые импульсы SCK, по которым одновременно производится 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 выходе MISO. Раздельные сигнальные цепи MOSI и MISO позволяют легко реализовать полнодуплексный режим обмена данными.

Схема управления

MISO

MOSI

MOSI

SCK

SCK

GND

GND

SPI-slave

8-битовый регистр сдвига

выход

MISO

вход

8-битовый регистр сдвига

выход

вход

SPI-master

Рис. 1.24. Интерфейс SPI Форматы данных, параметры сигналов, временные характеристики и т.п. в интерфейсе не регламентируются, например, скорость обмена данными определяется только частотой тактовых импульсов SCK, формируемых SPImaster. 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 физического уровня не является. Фактически, SPI реализует стандартную процедуру 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. SPI36

slave – это стандартный регистр сдвига с требуемым числом разрядов данных. Например, микроконтроллеры семейства AVR фирмы ATMEL поддерживают 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 сообщений SPI-slave должен содержать регистр сдвига соответствующей разрядности, а SPI-master должен производить управление обменом требуемой последовательности 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 микроконтроллерами, но и для сопряжения микроконтроллеров с внешними АЦП (ADC) и ЦАП (DAC), микросхемами памяти - SRAM, FRAM, SEERAM и многими другими устройствами. Благодаря последовательному формату данных и простой логической организации интерфейса SPI эти микросхемы производятся в компактных 8 – 16 выводных корпусах. В табл. 1.6 приведены примеры микросхем различного функционального назначения и разных производителей с интерфейсом SPI. Эти примеры показывают, что последовательный формат интерфейса позволяет существенно сократить требуемое число линий ввода-вывода. Таблица 1.6 Тип Тип Производитель микросхеОсновные параметры корпуса мы 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 www.maximMAX5443 16-Bit, U-out, 1 мкс mMAX-8 ic.com SRAM DS1200 1024x1 Bit SO-16 www.dalsemi.com 37

Продолжение табл. 1.6 Тип микросхемы

Основные параметры

Тип корпуса

Производитель

FRAM FM25C160 16 кБит, FM25CL04 4 кБит, FM25CL25 64 кБит,

1 трлн неогр. неогр.

SOP-8 SOP-8 SOP-8

www.ramtron.com www.ramtron.com www.ramtron.com

SEEPROM SO-8, TSSOP-8 SOIC-8, AT25080 8К, 1024x8, 0.1млн Cycles TSSOP-8 SOIC-8, AT25640 16K, 8192x8, 0.1млн Cycles TSSOP-8 SOIC-8, AT25128 128K, 16384x8, 0.1млн Cycles TSSOP-8 SOIC-8, AT25256 256K, 32768x8, 0.1млн Cycles TSSOP-8 Termosensor SOT-23, ADT7301 13-bit, -40 to +150 Co (±0.5Co) mSOP M95256

256K, 32768x8, 0.1млн Cycles

www.st.com www.atmel.com www.atmel.com www.atmel.com www.atmel.com www.analog.com

Одна из проблем, которую часто приходится решать в средствах автоматизации, связана с ограниченным числом линий ввода-вывода микроконтроллеров. Обычно количество передаваемых сигналов существенно превышает возможности параллельных портов, но алгоритмы обработки большинства передаваемых сигналов допускают дополнительные временные задержки, связанные с их передачей в последовательном формате. В этих случаях эффективно применение стандартных последовательно-параллельных регистров. Например, интерфейс SPI может оказаться полезным для считывания информации 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 отметить, что перед стартом работы SPI-интерфейса необходимо сформировать сигнал записи информации в регистры с параллельных входов D0-D7. Для 38

этого можно использовать один из выходов микроконтроллера, в данном примере PC0.

Рис. 1.25. Функциональная схема регистра CD74HCT166

+5V

PC0 SCK

S1

S8

+5V

S9

R1

R9

R8

R16

D0 D7 -PE 74HCT166 Ds Q7 CP -CE -MR

S16

D0 D7 -PE 74HCT166 Ds Q7 CP -CE -MR

MISO MK

Рис. 1.26. Подключение двухпозиционных датчиков к SPI-интерфейсу

39

40

Рис. 1.27. Подключение шестиразрядного индикатора к SPI-интерфейсу

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 параллельной выдачи информации. В качестве примера на рис. 1.27 приведена схема подключения шестиразрядного семисегментного индикатора к микроконтроллеру. В отличие от предыдущей схемы, сигнал параллельного вывода (PB1) необходимо сформировать после окончания передачи данных интерфейсом SPI средствами, выходящими за рамки интерфейса. Например, алгоритм взаимодействия с интерфейсом должен предусматривать контроль количества переданных байтов данных, а после завершения передачи последнего байта необходимо дополнительно передать сигнал параллельного вывода.

41

2. ИНТЕРФЕЙСЫ "ближнего радиуса действия" Под интерфейсами ближнего радиуса действия обычно понимают средства 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 интерфейсов, можно разбить на две группы. Первая группа – передача данных для подвижных объектов, вторая – передача данных между отдельными компонентами устройств обработки и преобразования информации. Первая группа интерфейсов обычно использует беспроводные каналы связи: радиоканалы, инфракрасные, акустические. Вторая группа интерфейсов – либо технологии локальных промышленных сетей, либо их упрощенные версии, так называемые внутриприборные интерфейсы. Внутриприборные интерфейсы обладают простотой и низкой стоимостью реализации и поддерживаются многими производителями интегральных схем – компонентов для средств автоматизации. 2.1. Параллельные интерфейсы Появление современных последовательных интерфейсов значительно сократило области применения интерфейсов с параллельным форматом данных. Большое число сигналов и отдельных линий связи для их передачи считается неэффективным, поэтому параллельные интерфейсы почти полностью потеряли значение, как средство передачи данных. Ограниченный круг задач, связанных с высокой скоростью доступа к данным, возможностью синхронизации и постоянной готовностью к обмену данными, требует применения параллельных 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 алгоритмам обмена данными. Классический пример внутреннего параллельного интерфейса – интерфейс оперативных запоминающих устройств, дополнительно подключаемых к микроконтроллерам. Обмен данными в этом случае должен строго синхронизироваться микроконтроллером, скорость обмена должна соответствовать скорости работы микроконтроллера, необходимо обеспечить постоянную готовность и к чтению (RD), и к записи (WR) данных. Дополнительно интерфейсом должна поддерживаться адресация данных, средства адресации обычно позволяют поддерживать адресацию не только данных, но и устройств. В таком интерфейсе несложно создавать многоточечные структуры с одним управляющим устройством (Master), функции которого обычно вы42

полняет микроконтроллер. При многоточечных соединениях Master интерфейса (микроконтроллер) передает адрес данных, а дополнительный внешний селектор адреса производит по этому адресу формирование сигналов выбора одного из устройств для обмена данными.

Рис. 2.1. Интерфейс внешней памяти микроконтроллера AVR На рис. 2.1 приведена структура интерфейса внешней памяти микроконтроллера 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). Адресация данных производится 16-битовым адресом, также формируемым микроконтроллером. Для уменьшения числа линий ввода-вывода младший байт адреса и байт данных передаются поочередно через один и тот же параллельный порт микроконтроллера. Поочередная передача адреса и данных требует записи и хранения младшего байта адреса во внешнем параллельном регистре (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 передача данных по сигналам управления RD или WR. Следовательно, обмен данными выполняется в два этапа и требует не менее 2 тактов работы микроконтроллера. 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 микроконтроллера), отсутствие каких-либо операций преобразования данных для передачи.

43

Рис. 2.2. Временные диаграммы сигналов параллельного интерфейса Средства управления обычно поддерживают на аппаратном уровне современные универсальные интерфейсы с небольшим количеством линий связи и, как правило, не требуют применения параллельных интерфейсов. В отдельных случаях, когда такие средства могут производить передачу данных только в параллельном формате, возможно применение специальных микросхем – преобразователей интерфейсов. Со стороны параллельного интерфейса они работают по сигналам, аналогичным показанным на рис. 2.2, со стороны второго интерфейса – реализуют, как правило, более сложные процедуры обмена данными. Примеры таких преобразователей интерфейсов уже рассматривались для RS-232 и SPI, а также в дальнейшем будут рассматриваться для других интерфейсов.

44

2.2. Беспроводные интерфейсы Иногда в средствах передачи данных применение традиционных проводных каналов связи по каким-либо причинам невозможно. В этих случаях необходима передача данных с применением беспроводных интерфейсов. Наряду с известными в этой области средствами, в настоящее время разрабатываются и предлагаются новые средства. Наиболее отработаны и стандартизованы беспроводные интерфейсы на основе оптических каналов связи и радиоканалов дециметрового и сантиметрового диапазонов. Например, беспроводные Wi-Fi сети с использованием радиоканалов становятся все более популярными, число компьютерных периферийных устройств, 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 разработан протокол IrDA, использующий инфракрасный оптический канал связи и обеспечивающий соединение "точка-точка". Этот интерфейс в основном применяется для подключения различных периферийных устройств персонального компьютера. Оптический канал связи требует, чтобы приемопередатчики интерфейса всегда находились в пределах прямой видимости, максимальное 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 – излучение отсутствует. Скорости передачи соответствуют стандартным скоростям интерфейса RS-232. Для применения интерфейса IrDA выпускаются интегральные 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, формируемого асинхронным приемо-передатчиком U_TXD. Кроме того, при SIRмодуляции используется инверсия бита данных. На рис. 2.4 показаны временные диаграммы сигналов при передаче данных.

45

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 потенциальном кодировании NRZ. На приемной стороне необходимо восстановления сигналов NRZ. Демодуляция принятых оптических сигналов IR_RXD осуществляется в соответствии с рис. 2.5. Битовый интервал содержит 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 демодуляцию поступающего двоичного сигнала, и инфракрасного приемопередающего модуля. 46

Рис. 2.5. Демодуляции сигналов 3/16

Рис. 2.6. Временные диаграммы сигналов при приеме данных

47

Оптический вход ШИНА ДАННЫХ

МИКРОСХЕМА УПРАВЛЕНИЯ

ИНФРАКРАСНЫЙ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИЙ МОДУЛЬ

Оптический выход

Рис. 2.7. Структурная схема IrDA-канала Как правило, интерфейсы UART, встраиваемые в микроконтроллеры, содержат выводы для сигналов U_RXD и U_TXD и не предусматривают выхода для сигнала тактового бод-генератора 16XCLK. Этого сигнала нет и в RS232, но некоторые микросхемы UART содержат этот вывод. В зависимости от “исполнения” возможны два варианта подключения микросхемы управления 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

48

а)

б)

Рис. 2.8. Схемы включения HSDL-7001

49

Аналогичные по функциональному назначению микросхемы изготавливаются 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 50

Микросхема TOIM3232 поддерживает большее число частот бодгенератора (см. табл. 2.2). Таблица 2.2

В качестве инфракрасного приемопередающего модуля могут также использоваться следующие изделия разных фирм: HSDL-1000 (HewlettPackard), HSDL-1001 (Agilent Technologies) и TFDS3000, TFDU4100, TFDS4500, TFDT4500 (TEMIC TELEFUNKEN microelectronic). На рис. 2.11 изображен внешний вид модуля TFDT4500 и приведена его функциональная схема. Эти модули предназначены для решения однотипных задач, обладают сходными характеристиками и функциональными особенностями. Интерфейсы с оптическим каналом также широко применяются при передаче данных по волоконно-оптическим кабелям. Некоторые особенности построения и средства реализации таких интерфейсов рассматриваются в главе 5.

51

Рис. 2.11. Внешний вид модуля TFDT4500 и его функциональная схема

52

2.2.2. Интерфейсы с радиоканалом Интерфейс "Blue tooth" представляет собой стандарт беспроводной связи по радиоканалу на небольшие расстояния (до 10 м, с возможностью расширения до 100 м) в нелицензируемом диапазоне частот (2,4 ГГц). Он использует метод скачкообразной перестройки по частоте — FHSS. Смена частоты канала происходит по псевдослучайному закону 1600 раз в секунду. Данные передаются в различных режимах, обеспечивается простая интеграция со стеком коммуникационных протоколов TCP/IP, предусмотрена поддержка трех речевых каналов, скорость передачи до 721 Кбит/с. В интерфейсе используются небольшие приемопередатчики малого радиуса действия либо непосредственно встроенные в устройство, либо подключаемые через свободный порт или PC-карту. В отличие от IrDA, адаптеры не требуют обеспечения прямой видимости между соединяемыми устройствами, допускают не только связь «точка-точка», но и многоточечные соединения. До восьми расположенных рядом устройств образуют пикосеть (Piconet). Пикосети, в свою очередь, объединяются между собой в распределенную сеть (Scatternet). Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE.802. Компоненты Bluetooth представляют собой сложные многофункциональные устройства, предназначенные для сопряжения с USB, SPI, UART и RS232 интерфейсами. Из фирм производителей таких компонентов следует выделить Atmel, Fujitsu и Philips. Перечень микросхем Atmel [www.atmel.com]: • AT76C551 – однокристальный Bluetooth контроллер со встроенным RISC процессором ARM7TDMI; • T7023 – ISM/ Bluetooth усилитель мощности; • T7024 – ISM/ Bluetooth оконечная ИС. Перечень модулей Fujitsu [www.fme.fujitsu.com]: • MBH7BT08 – модуль для поверхностного монтажа, имеет встроенный интерфейс AT-команд для управления связью; • MBH7BT09 – Bluetooth модуль 2 класса мощности с SPP протоколом, поддерживающий аппаратный интерфейс UART и программные интерфейсы: L2CAP, SDP, RFCOMM и SPP; • MBH7BT02 – Bluetooth модуль 2 класса мощности, основан на программном стандартном интерфейсе HCI и выполняет функции связи через встроенные аппаратные интерфейсы USB, UART и PCM для обеспечения высокой степени универсальности. Перечень модулей Philips [www.semiconductors.philips.com]: • PCF87852 – Bluetooth контроллер, выполненный на основе RISC процессора; 53

• BGB101 – Bluetooth радио модуль; • BGB102 – Bluetooth радио модуль; • BGB202 – Bluetooth модуль, выполненный на основе микросхем PCF87852 и BGB102. В настоящее время в числе перечисленных Bluetooth компонентов одним из наиболее перспективных в использовании является модуль BGB202 (рис. 2.12). Он обладает наименьшими размерами – 7x8 мм и требует минимального числа дополнительных навесных элементов. На рис. 2.13 приведена схема подключения этого модуля.

Рис. 2.12. Конструкция Bluetooth-модуля BGB202 Основой BGB202 является ИС PCF87852, включающая ARM процессор, встроенное ПЗУ и ядро Bluetooth с множеством различных стандартных интерфейсов (UART, I2C, PCM/IOM, JTAG). Радиотракт BGB202 построен на приемопередатчике с почти нулевой ПЧ и включает в себя интегральный антенный фильтр для подавления сигналов других диапазонов, переключатель прием/передача, согласующие трансформаторы для приема и передачи, модулятор и базовую развязку по питанию. Для получения законченной интерфейсной системы Bluetooth необходимо подключить к микросхеме только внешний источник тактовой частоты и антенну.

54

55

Рис. 2.13. Схема подключения Bluetooth-модуля BGB202

Если в устройстве уже есть интерфейс USB или порт RS-232, то может оказаться более целесообразным применение готового адаптера. Компания SMART Modular Technologies, Inc. сообщила о выпуске USB – Bluetooth адаптера (рис. 2.14), совместимого со спецификациями Bluetooth 1.1 и USB 1.1. Устройство имеет размеры 58х19х9 мм и может использоваться как с настольными РС, так и с ноутбуками для обеспечения связи с различными устройствами, например, принтерами с поддержкой Bluetooth или для доступа в Интернет через беспроводный модем или мобильный телефон.

Рис. 2.14. USB – Bluetooth адаптер фирмы SMART Modular Technologies Напряжение питания устройства составляет 5 В, адаптер оснащен 8 Мб флэш-памяти для хранения микрокода. Чувствительность приемника от 80 дБм; диапазон частот устройства 2,402 – 2,480 ГГц, дальность действия до 30 м. Bluetooth 1.1 адаптер с интерфейсом RS-232 представлен на рис. 2.15. Адаптер имеет 50 Ом антенну, а также 8 Мб встроенной флэш-памяти для приложений. Адаптеры класса 1 поддерживают Serial Port Profile (SPP), Dial Up Networking (DUN), Generic Access Profile (GAP) и Service Discovery Application Profile (SDAP). Адаптеры класса 2 являются обычной заменой кабеля с поддержкой SPP. Изделия обоих классов способны автоматически обнаруживать источник питания (внутренний/ хост-контроллера). 56

Рис. 2.15. Bluetooth 1.1 адаптер с интерфейсом RS-232 от SMART Modular Известной альтернативой Bluetooth является интерфейс ZigBee. Однокристальные RF трансиверы, работающие по технологиям ZigBee, изготавливаются фирмами Atmel [www.atmel.com], Chipcon [www.chipcon.com], Motorola [www. freescale.com], Xemics [www.xemics.com] и др. В качестве примера в табл. 2.3 приведены некоторые типы этих микросхем и их основные параметры. Таблица 2.3 Тип проДиапазон дукта частот, MГц Chipcon CC2400 Transceiver 2400 - 2483 2400 Chipcon CC2420 Transceiver 2483.5 Atmel AT86RF210 Transceiver 400 - 950 Motorola MC13191 Transceiver 2400 - 2500 Motorola MC13192 Transceiver 2400 - 2483 Произв.

Наименов.

Скорость Модуляция передачи 1.0 Mbps GFSK/FSK 250 kbps

GFSK/FSK

64 kbps 250 kbps 250 kbps

FSK O-QPSK O-QPSK

Микросхема трансивера CC2400 выполнена по 0.18 мкм КМОПтехнологии и размещена в 48-выводном QLP-48 корпусе с размерами 7x7 мм. Ее схема подключения показана на рис. 2.16. Обмен данными с этим трансивером производится через SPI или специальный последовательный 57

58 Рис. 2.16. Типовая схема включения ИС CC2400

интерфейс, для радиоканала требуется только подключение внешней антенны и небольшого числа внешних элементов. Из указанных в табл. 2.3, микросхема MC13192 имеет наименьшее число выводов – 32, размещена в корпусе QFN-32 с размерами 5x5 мм. Схема подключения MC13192 к микроконтроллеру показана на рис. 2.17. В обоих примерах связь микросхем RF-трансиверов с микроконтроллерами может осуществляться с помощью стандартного SPI-интерфейса. Продолжает совершенствоваться технология беспроводной связи в рамках широко распространенного компьютерного интерфейса USB. Примеры реализации WirelessUSB будут рассмотрены позднее в соответствующем разделе. В настоящее время разрабатываются средства беспроводной передачи данных с принципиально отличающимися алгоритмами использования радиоканалов. Например, технология сверхширокополосной связи UWB предполагает использование в радиоканале частотного диапазона до 10 ГГц без несущей в форме синусоидального сигнала. Информация передается посредством времяимпульсной модуляции нано или субнаносекундных импульсов. Это позволяет создавать беспроводные интерфейсные средства с весьма высокой скоростью передачи данных. Применяемый во многих технологиях беспроводной связи псевдослучайный алгоритм переключений радиоканалов обеспечивает шумоподобный спектр излучаемых сигналов, а это приводит к распределению энергию передаваемых сигналов в широкой полосе частот. Для других приемников эти сигналы будут восприниматься как небольшой по уровню эфирный шум, не мешающий приему. Поэтому в одном и том же диапазоне частот могут одновременно работать несколько приемопередатчиков. Кроме того, для снижения уровня перекрестных помех мощность передатчиков в интерфейсах ограничена уровнем единицы мВт. Следует отметить, что беспроводные интерфейсы в средствах автоматизации имеют ограниченное применение. Обеспечить надежную работу этих интерфейсов в условиях высокого уровня индустриальных помех не всегда возможно.

59

60

Рис. 2.17. Практическая схема соединения MC13192 c MCU

2.3. Приборный интерфейс I2C Разработанный фирмой Philips интерфейс I2C ("Inter-Integrated Circuit"), – это двунаправленная шина с последовательным форматом данных и возможностью адресации и параллельного подключения к шине до 128 устройств. Шина I2C содержит две сигнальные линии, одна из которых (SCL) предназначена для передачи тактового сигнала, другая (SDA) – для передачи данных (рис. 2.18). Формирование сигналов производится выходными каскадами с открытым коллектором, поэтому линии шины должны быть подключены к источнику питания +5 В через резисторы сопротивлением 1...10 кОм, в зависимости от физической длины линий и скорости передачи данных. Параллельное подключение выходных каскадов всех узлов позволяет им всем влиять на передаваемые сигналы и участвовать в управлении обменом данными. Топология "общая шина" обеспечивает только полудуплексный обмен данными: в любом цикле обмена одно устройство передает данные, все остальные – только их принимают. +5 B

SDA

+5 B

SCL GND

RxD TxD

RxD SDA

RxCLK

TxD

RxD SDA

SDA

SCL

SCL

GND

GND

RxCLK SCL

TxCLK

RxCLK

TxCLK

GND

TxD

TxCLK

Рис. 2.18. Интерфейс I2C Длина соединительных линий в стандартном режиме может достигать 2-х метров, скорость передачи – до 100 кбит/с, существует и расширенный вариант стандарта со скоростью до 400 кбит/с. Суммарная емкость линий должна быть не больше 400 пФ, входная емкость на каждую ИС – в пределах 5...10 пФ. Реальная скорость обмена данными жестко не регламентируется, хотя все устройства по стандарту должны поддерживать скорость 100 кбит/с. Управление обменом данными производится по тем же сигнальным шинам и, следовательно, предполагает передачу управляющих сообщений вместе с основными данными. 61

Все устройства интерфейса (узлы шины) делятся на два класса – управляющие узлы I2C-Master и подчиненные узлы I2C-Slave. Устройство I2CMaster генерирует тактовый сигнал (SCL) и, как следствие, является ведущим. Оно может самостоятельно выходить на шину и адресовать любое устройство I2C-Slave с целью передачи или приема информации. Все I2C-Slave "слушают" шину и при приеме собственного адреса выполняют предписываемую операцию. Возможен и так называемый режим "Multi-Master", когда на шине установлено несколько устройств I2C-Master. Они либо совместно разделяют общие узлы I2C-Slave, либо попеременно являются то I2C-Master, управляя обменом информацией, то I2C-Slave, когда находятся в режиме ожидания команд от другого I2C-Master. Режим "Multi-Master" требует арбитража и распознавания конфликтов. В режиме покоя обе линии SCL и SDA находятся в состоянии логической единицы (транзисторы выходных каскадов всех узлов закрыты). Цикл обмена может быть начат узлом I2C-Master только из режима покоя шины и состоит из следующих элементов: формирование сигнала "Старт", передача адреса I2C-Slave, передача данных, формирование сигнала "Стоп". Синхронизация циклов обмена шины требует формирования сигналов "Старт" и "Стоп", ограничивающих начало и конец информационного пакета. Для кодирования этих сигналов используется изменение состояния линии SDA при единичном состоянии линии SCL, что недопустимо при передаче данных (рис. 2.19). "Старт"-условие соответствует отрицательному перепаду (падающий фронт) SDA, когда SCL находится в единичном состоянии, а 'Стоп"-условие –положительному перепаду (нарастающий фронт) линии SDA при единичном состоянии линии SCL.

Рис. 2.19. Сигналы "Старт" и "Стоп" I2C При передаче всех остальных сигналов (рис. 2.20) каждый бит по SDA стробируется положительным импульсом (нарастающим фронтом) SCL. Изменение состояния линии SDA производится только при нулевом состоянии линии SCL. При этом I2C-Slave может "придерживать" линию SCL в нулевом 62

состоянии и соответственно снижать скорость обмена данными, например, на время обработки очередного сигнала, а I2C-Master обязан дождаться освобождения линии SCL прежде, чем продолжится передача информации.

Рис. 2.20. Информационные сигналы I2C Все данные в цикле обмена передаются отдельными байтами, прием каждого байта должен подтверждаться приемником для продолжения цикла обмена. Передача данных начинается по первому положительному импульсу на линии SCL после сигнала "Старт", которым стробируется старший бит первого байта. Каждый байт (8 битов) передается за 9 тактовых периодов сигнала SCL, формируемого I2C-Master. В девятом такте устройство-получатель выдает подтверждение (ACK) – нулевой сигнал SDA, свидетельствующий о "взаимопонимании" передатчика и получателя. Любой узел шины, как "Master", так и "Slave" может в разные моменты времени быть как передатчиком, так и получателем и в соответствии с режимом обязан либо принимать, либо выдавать сигнал ACK. Отсутствие сигнал ACK (единица на SDA в такте подтверждения) интерпретируется как ошибка. Процедура адресации на шине I2C заключается в том, что первый байт после сигнала "Старт" – это всегда байт адреса и определяет, какой ведомый выбирается ведущим для работы. После 7 бит адреса следует бит направления данных (R/W), “ноль” означает передачу в I2C-Slave (запись), а “единица” - прием из I2C-Slave (чтение). В 9 такте I2C-Slave сигналом ACK подтверждает прием своего адреса и бита направления обмена данными. Далее цикл обмена переходит в фазу передачи данных, I2C-Master передает последовательности сигналов SCL, по которым узел-передатчик формирует последовательности битовых сигналов, а узел-приемник на каждом 9 такте передает сигнал ACK, подтверждающий прием очередного байта. Количество байт, передаваемых за один цикл обмена, не регламентируется, но не должно 63

быть слишком большим, иначе обмен данными для других узлов шины будет блокироваться. Пересылка данных всегда заканчивается сигналом "Стоп", генерируемым ведущим I2C-Master. Если I2C-Master будет использовать шину дальше, он может без сигнала "Стоп" выдать повторный "Старт" и затем адрес устройства для следующего цикла интерфейса. При таком алгоритме управления обменом возможны различные комбинации чтения/записи. Например, в первом цикле обмена "запись" I2C-Master может передать для I2C-Slave в поле данных байт – идентификатор запрашиваемых данных, а во втором цикле обмена "чтение" получить от I2C-Slave требуемые данные. Указанный алгоритм адресации требует присвоения уникальных 7 битовый адресов для всех I2C-Slave шины. Эти I2C-адреса должны быть заданы до начала обмена по шине. В зависимости от типов применяемых устройств, адреса могут задаваться либо программной инициализацией, либо определяются аппаратно, например, коммутацией цепей управления адресом в устройстве I2C-Slave. Ведущий I2C-Master может начинать пересылку данных, только если шина свободна. Два и более ведущих могут генерировать сигнал "Старт" за время минимального удерживания (Thd,sta). Арбитраж производится по шине SDA в периоды, когда шина SCL находится в единичном состоянии. Если один ведущий передает на линию данных НИЗКИЙ уровень, в то время как другой – ВЫСОКИЙ, то последний отключается от линии, так как состояние SDL не соответствует состоянию его внутренней линии данных. Таким образом, арбитраж при одновременной передаче обеспечивает более высокий приоритет не узлу интерфейса, а сообщению с большим числом нулевых бит в передаваемой последовательности. Арбитраж может продолжаться на протяжении нескольких бит. Так как сначала передается адрес, а потом данные, то арбитраж может продолжаться до окончания адреса, а если ведущие адресуют одно и то же устройство, то в арбитраже будут участвовать и данные. Вследствие такой схемы арбитража при столкновении данные не теряются. Ведущему, проигравшему арбитраж, разрешается выдавать синхроимпульсы на шину SCL до конца байта, в течение которого был потерян доступ. Если I2C-Master проигрывает арбитраж на стадии передачи адреса, то он должен переключиться в режим ведомого, чтобы выигравший арбитраж ведущий мог его адресовать. Преимущества шины I2C очевидны – малое количество соединительных линий и высокая скорость обмена, простота аппаратной реализации интерфейса. Наиболее широко поддерживает шину I2C фирма Philips, производящая множество ИС различной сложности с управлением по I2C. В первую очередь, можно выделить микросхемы энергонезависимой памяти (EEPROM) серии 24Схх в 8-ми выводных корпусах, фактически ставшие промышлен64

ным стандартом. Из широко распространенных ИС можно выделить: микросхемы часов PCF8583, параллельный порт PCF8574, 4-х канальный 8 разрядный АЦП PCF8591. Существует множество модификаций этих ИС и более специализированныx контроллеров. I2C стала де-факто стандартом последовательной шины для управления, обслуживания и настройки электронного оборудования. Важные свойства интерфейса I2C: простота 2-проводной шины, действительный режим Plug&Play и низкая стоимость реализации благодаря большому количеству уже имеющихся компонентов с этой шиной. Типовая конфигурация системы контроля и управления на основе шин I2C, содержащая различные устройства с применением интегральных микросхем фирмы Philips, показана на рис. 2.21. Фирма Philips также предложила для интерфейса I2C первый в мире контроллер PCA9564, который преобразует параллельный код в последовательный и работает на частотах до 400 кГц при весьма низких напряжениях питания (2,5–3,3В). Интегральная схема PCA9564 оптимизирована для подключения микропроцессоров, микроконтроллеров и сигнальных процессоров к нескольким устройствам I2C или компонентам SMBus. Эта интегральная схема дает возможность использования I2C в качестве обслуживающей и управляющей шины в вычислительных, сетевых и телекоммуникационных системах, предлагая разработчикам более высокие скорости работы при низком напряжении питания и позволяя создавать более гибкие и производительные I2C системы. PCA9564 может работать в качестве ведомого и ведущего на шине I2C, передатчика и приемника, самостоятельно управлять специальными последовательностями, протоколом, арбитражем и промежутками времени без внешней тактовой частоты. Эта ИС позволяет микропроцессорам и микроконтроллерам без встроенных средств интерфейса обмениваться данными с устройствами по шине I2C или SMBus, а также обеспечивать дополнительный порт, когда нужно несколько портов I2C. Новый контроллер PCA9564 выпускается в 3-х видах корпусов: 20-выводные SO, TSSOP и HVQFN. Структурная схема PCA9564 приведена на рис. 2.22. Доступ к интерфейсу I2C производится через средства реализации протокола (SDA CONTROL и SCL CONTROL, рис. 2.22), а прием байтов управления и обмен данными – через стандартный параллельный интерфейс. Адресация параллельного интерфейса (А0 и А1, рис. 2.22) необходима для выбора регистров ИС при обмене данными. Для управления взаимодействием в параллельном интерфейсе также предусмотрено формирование сигнала прерывания (INTERRUPT CONTROL, рис. 2.22).

65

66

Рис. 2.21. Конфигурации систем контроля и управления на основе шин I2C

67

Рис. 2.22. Структурная схема ИС PCA9564

Новый 16-разрядный расширитель портов PCA9535 от Philips с управлением по шине I2C отличается повышенной нагрузочной способностью и широкими возможностями конфигурирования (рис. 2.23). Микросхема, предлагаемая в трех вариантах исполнения корпусов (SO24, TSSOP24 и HVQFN24), обеспечивает 16-разрядный параллельный интерфейс ввода/вывода общего назначения с управлением по шине I2C / SMBus. По сравнению с предыдущими поколениями аналогичных устройств PCA9535 обладает значительно лучшими характеристиками. Улучшения состоят в большей нагрузочной способности выходов, совместимости с входными уровнями напряжением 5 В, меньшем потребляемом токе, индивидуальном конфигурировании портов и более миниатюрных корпусах. Расширители портов обеспечивают простое подключение к основному процессору/контроллеру дополнительной периферии, такой как переключатели питания системы ASPI, различные датчики, кнопки управления, светодиоды, вентиляторы и т.п. PCA9535 содержит два 8-битных регистра конфигурации (выбор входа или выхода) и регистры инверсии полярности (активный низкий или активный высокий уровень). Управляющее устройство может определять порты как входы или как выходы, записывая управляющие биты в регистры конфигурации. Данные для каждого входы или выхода содержатся в соответствующих входных или выходных регистрах. Информация в регистре чтения может быть инвертирована регистром инверсии полярности. Данные всех регистров могут быть прочитаны управляющим устройством. PCA9535 идентична PCA9555, но отсутствие на ее портах подтягивающих резисторов существенно снижает энергопотребление, когда на выходе присутствует низкий уровень. PCA9535 имеет выход сигнала прерывания с открытым стоком (INT, рис. 2.23). Прерывание формируется, когда на каком-либо из входов уровень сигнала меняется на противоположный. Запрос прерывания является сигналом управляющему устройству, что на входных линиях произошло какое-либо событие, например, нажата кнопка. Сброс по включению питания записывает во внутренние регистры ИС значения по умолчанию и инициализирует схему фиксации состояния устройства. Три вывода аппаратного адреса (A0, A1, A2) могут изменять встроенный I2C-адрес устройства, что разрешает одновременную работу на одной шине до 8 однотипных ИС. Фиксированная часть I2C-адреса PCA9535 такая же, как и у PCA9554, что позволяет 8 подобным устройствам в любой комбинации работать на одной шине I2C.

68

69

Рис. 2.23. Структурная схема ИС PCA9535

Общий перечень микросхем с интерфейсом I2С фирмы Philips содержит несколько десятков микросхем, его можно найти на [www.semiconductors.philips.com]. Учитывая эффективность и популярность I2С, и другие фирмы изготавливают ИС с этим интерфейсом, примеры таких ИС различных производителей приведены в табл. 2.4. Таблица 2.4 Тип микросхемы ADS1100 ADS7823 ADS7829 AD7994 AD7998 DAC7571 DAC7574 DAC8751 AD5305 AD5339 AD5390 FM24C04A FM24CL04 FM24CL16 FM24CL64 FM24C256 70

Основные параметры

Тип корпуса

ADC 16-Bit, Delta-Sigma, SOT23-6 128 бит/сек 12-Bit, SAR, MSOP-8 50000 бит/сек 12-Bit, SAR, S-PDSO-N8 125000 бит/сек 12-Bit, SAR, 188000 TSSOP-16 бит/сек, 4-канала 12-Bit, SAR, 188000 TSSOP-20 бит/сек, 8-каналов DAC 12-Bit, 10 мксек, SOT23-6 1-канал 12-Bit, 10 мксек, MSOP-10 4-канала 16-Bit, 10 мксек, MSOP-8 1-канал 8-Bit, 6 мксек, MSOP-10 4-канала 12Bit, 8 мксек, MSOP-8 2-каналa 16-Bit, 8 мксек, LQFP-52, 16-каналов LFCSP-64 FRAM 4 kbit, 1 трлн. циклов SOIC-8 4 kbit, неогранич. SOIC-8 16 kbit, неогранич. SOIC-8 64 kbit, неогранич. SOIC-8 256 kbit, 10 млрд. цикSOP-8 лов

Производитель www.ti.com www.ti.com www.ti.com www.analog.com www.analog.com www.ti.com www.ti.com www.ti.com www.analog.com www.analog.com www.analog.com www.ramtron.com www.ramtron.com www.ramtron.com www.ramtron.com www.ramtron.com

Продолжение табл. 2.4 Тип Тип Основные параметры микросхемы корпуса SEEPROM PDIP-8, 16284x8, 1 млн. цикTSSOP-8, AT24CS128 лов SOIC-8, dBGA-8 PDIP-8, 32768x8, 1 млн. цикTSSOP-8, AT24CS256 лов SOIC-8, dBGA-8 PDIP-8, 65536x8, 1 млн. цикTSSOP-8, AT24C512 лов SOIC-8, dBGA-8 PDIP-8, 131072x8, 0.1 млн. TSSOP-8, AT24C1024 циклов SOIC-8, dBGA-8 256 kbit, 0.1 млн. цикPDIP-8, M24256 лов SO-8 Termosensor PDIP-8, DS1621 9 bit, -55÷ +125 oC SOIC-8 PDIP-8, o DS1624 13 bit, -55÷ +125 C SOIC-8 MAX6635

13 bit, -55÷ +150 oC

uMAX-8

MAX6692

13 bit, -55÷ +125 oC

SO-8

AD7416

10 bit, -40÷ +125 oC

SOIC-8, MSOP-8

M41T00

Clock TIMEKEEPER

SO-8

MAX6900

TIMEKEEPER

SOT23-6

DS1338

TIMEKEEPER plus 56 Bytes of NV SRAM

uSOP-8

Производитель

www.atmel.com

www.atmel.com

www.atmel.com

www.atmel.com www.st.com www.dallas.com www.dallas.com www.maximic.com www.maximic.com www.analog.com www.st.com www.maximic.com www.dallas.com

71

На рис. 2.24 – 2.29 приведены структурные схемы и схемы включения различных ИС с интерфейсом I2C. В дополнение к основным функциональным компонентам эти ИС содержат средства поддержки интерфейса I2C, которые существенно облегчают реализацию процедур обмена данными. Например, АЦП последовательных приближений ADS7829 (рис. 2.24 ) имеет типовую структуру и содержит входной усилитель выборки-хранения (S/H Amp), цифроаналоговый преобразователь (CDAC) с внешним опорным напряжением (VREF), регистр последовательных приближений (SAR). В АЦП дополнительно содержится интерфейсный узел (Serial Interface), позволяющий принимать управляющие данные и передавать результаты преобразования через интерфейс I2C. Как видно из схемы подключения (рис. 2.25), применение такого АЦП требует минимального количества сигнальных цепей.

Рис. 2.24. Структурная схема ИС ADS7829

72

Рис.2.25. Схема подключения ADS7829 к микроконтроллеру

Рис. 2.26. Функциональная схема 8-канального ADC AD7998 73

74 Рис. 2.27. Структурная схема ИС DAC8751

75

Рис. 2.28. Структурная схема ИС DAC7574

76 Рис. 2.29. Структурная схема ИС AD5305

Часы реального времени MAX6900 фирмы MAXIM с I2C-интерфейсом выполнены в корпусе SOT23. Функциональная схема часов приведена на рис. 2.30, а на рис. 2.31 – схема включения. Отличительные особенности: • часы реального времени считают в секундах, минутах, часах, дате, месяце, дне, годе и учитывают високосность года до 2100 г; • скоростной (400кГц) I2C-интерфейс с питанием от 2.0 В до 5.5 В; • 31 байт статического ОЗУ пользователя; • стандартный кварцевый резонатор 32.768 кГц; • очень малое потребление тока – 225 нА; • два режима передачи данных: одиночный (адрес+1 байт данных) и потоком (стартовый адрес + N байт данных); • чтение и запись информации в регистрах часов или ОЗУ; • 6-выводной SOT23 корпус для поверхностного монтажа; • отсутствие внешних резисторов и конденсаторов.

Рис. 2.30. Функциональная схема часов MAX6900

77

Рис. 2.31. Схема подключения ИС MAX6900 Philips также производит новую серию расширителей портов ввода/вывода общего назначения для шины I2C PCA955x (PCA9550, PCA9551, PCA9552 и PCA9553), которые предназначены для управления миганием светодиодов в самых различных устройствах: от мобильных телефонов до крупных серверов. Новые 2-х, 4-х, 8-ми и 16-битные изделия представляют новую грань возможностей шины I2C, давая разработчику возможность применения большого количества легко управляемых светодиодов по сравнению с применением входов/выходов общего назначения или микроконтроллеров. Новые изделия имеют встроенный генератор с 4-мя однобайтовыми внутренними регистрами, которые предназначены для программной установки частоты мерцания. Это исключает необходимость применять один из таймеров в микроконтроллере для посылки повторяющихся команд включения и выключения светодиода. Кроме того, новые ИС существенно разгружают шину I2C по сравнению со стандартными расширителями портов, использующимися в качестве «мигалок». После программирования внутренний генератор позволяет отключить шину I2C от PCA955x, при этом светодиоды продолжают мигать, что невозможно при применении стандартных расширителей портов. 78

Изделия PCA955x выпускаются в 8-ми, 16-ти и 24-х выводных корпусах SO, TSSOP и HVQFN. Так, например, PCA9553 является 4-разрядным расширителем (рис. 2.32), его отличительные особенности: • 4 порта управления светодиодами (включен, выключен, мигание с программируемой частотой); • 2 выбираемых, полностью программируемых режима мигания (частота и нагрузочный цикл) от 0,15625 до 40 Гц (период от 6,4 сек до 0,025 сек); • входы/выходы, не задействованные для управления светодиодами, могут использоваться в качестве входов/выходов общего назначения; • встроенный сброс при включении питания; • фильтр шумовых помех на входах SCL/SDA; • сигнал сброса низкого уровня; • 4 выхода с открытым стоком напрямую включают светодиоды при токе нагрузки до 25 мА; • общий нагрузочный ток через микросхему до 100 мА; • управляемые фронты импульсов для минимизации «плавания» общего провода; • отсутствие сбоев при включении; • поддержка «горячей» установки; • малый потребляемый ток в дежурном режиме; • диапазон питающих напряжений от 2,3 В до 5,5 В; • тактовая частота шины I2C от 0 до 400 кГц; • защита от статического электричества до 2000 В. Области применения: светодиодные системы индикации в различном оборудовании, например, в мобильных телефонах; системы самодиагностики в серверах, сетевом и телекоммуникационном оборудовании. Разряды, не используемые для управления светодиодами, могут работать независимо как порты ввода/вывода общего назначения. Вывод аппаратного сброса с активным низким уровнем (RESET) и сброс по включению питания (POR) устанавливает значения всех регистров в исходное состояние (все нули) и переключает выходы в состояние с высоким уровнем (светодиоды погашены). Из-за ограниченного числа выводов PCA9553 не имеет функции установки аппаратного адреса. Варианты исполнения этой ИС PCA9553/01 и PCA9553/02 имеют различные фиксированные I2C-адреса для совместной работы на общей шине.

79

80

Рис. 2.32. Структурная схема и расположение выводов PCA9553

2.4. Приборный интерфейс 1-W Разработанный фирмой Dallas Semiconductor интерфейс 1-W (1-Wire) по основным свойствам и алгоритмам обмена данными во многом подобен интерфейсу I2C. Особенности и ограничения интерфейса 1-W связаны с передачей всех необходимых сигналов по единственной сигнальной шине (рис. 2.33). Интерфейс – одномастерный, с единственным управляющим узлом 1W-Master, и количеством ведомых узлов 1W-Slave, ограничиваемым нагрузочной способностью приемопередатчиков и паразитными параметрами сигнальной цепи. Интерфейс также называют сетью MicroLAN. +5 B

1W-Master

1W-Slave

RxD

1W-Slave

RxD

TxD

RxD

TxD

GND

GND

TxD

GND

Рис. 2.33. Интерфейс 1-W. Интерфейс 1-W предусматривает передачу данных с двумя скоростями: стандартной скоростью – 15,3 кбит/с и повышенной скоростью – 100 кбит/с. Скорость задается при начальной настройке интерфейса. Так как протокол обмена требует передачи и тактовых, и информационных сигналов по единственной сигнальной шине, временные соотношения между сигналами должны жестко выдерживаться и строго соответствовать скорости передачи данных. Начало битового временного интервала определяется по падающему фронту сигнала на шине, формируемого узлом 1W-Master. Все остальные изменения сигналов и их прием в этом битовом интервале должны выполняться только в определяемые протоколом интервалы времени. Эти интервалы времени различны для разных скоростей передачи. При отключенных внутренних источниках питания приемо-передатчики узлов 1W-Slave могут работать, потребляя необходимый небольшой ток от сигнальной шины. Каждый узел имеет уникальный 64 битовый адрес (ID). Этот адрес формируется при изготовлении устройства, в протоколе интерфейса 1-W называется ROM-номером и имеет следующую структуру: 8 бит – 81

код производителя, 48 бит – серийный номер устройства, 8 бит – контрольное поле адреса по алгоритму CRC с образующим полиномом (X8+ X5 + X4+ 1). Отдельный цикл передачи данных в протоколе 1W называется транзакцией и состоит из следующих этапов: передача инициализационной последовательности (начало транзакции), передача ROM команды (адресация транзакции), передача команды (управление транзакцией), передача данных (транзакция). Транзакция всегда выполняется под управлением узла 1W-Master, он задает начало транзакции инициализационной последовательностью и формирует сигналы для выделения каждого битового интервала независимо от этапа транзакции и направления передачи данных. Как указывалось ранее, узлы 1W-Slave имеют право влиять на состояния сигнальной шины только в строго определенные интервалы времени. Инициализационная последовательность (рис. 2.34) начинается сигналом "Reset" – низкий уровень сигнальной шины непрерывно в течение 8-10 битовых интервалов (tRSTL), формируемый узлом 1W-Master. После возврата сигнальной шины в высокое состояние 1W-Master принимает сигналы присутствия (низкий уровень шины, передаваемый всеми узлами 1W-Slave) в течение интервала tRSTH (рис. 2.34). Хотя бы один узел должен передать сигнал присутствия на шине для продолжения транзакции. После приема сигнала присутствия 1W-Master переходит к формированию 1-го такта передачи ROM команды. уровень сигнала формируется

резистором шины узлом 1W-Master узлом 1W-Slave прием сигнала присутствия

U

начало 1-го такта

передача сигнала Reset

t t RSTL

t RSTH

Рис. 2.34. Сигналы инициализационной последовательности После приема сигнала "Reset" и передачи сигнала присутствия все 1WSlave переходят в режим приема ROM команды, а адресованный в этой команде узел принимает далее команду управления. ROM команды и команды управления имеют однобайтовый формат, разновидности команд, выполняемых узлами 1W-Slave, зависят от реализуемых ими функций. На последнем 82

этапе транзакции выполняется заданная в команде управления передача данных либо передается подтверждение выполнения другой заданной операции. Фирма Dallas Semiconductor [www.dallas.com] выпускает набор специализированных компонентов, предназначенных для построения однопроводной сети [www.rtcs.ru]. Базовым элементом является адресуемый ключ DS2405, имеющий в своем составе 1W интерфейс, построенный по КМОП технологии, и управляемый ключ (N - канальный полевой транзистор с открытым стоком). Управление работой адресуемого ключа осуществляется независимо от присутствия в сети других таких же приборов. Применение других компонентов таких, как сдвоенный адресуемый ключ, контроллер двухпортовой памяти, цифровой термометр, часы, счетчики, ветвители сети и т.п., расширяет возможности построения сети в промышленных и бытовых приложениях (см. табл. 2.5). Таблица 2.5 Тип ИС

Описание

Цифровой термометр с программируемым разрешением Цифровой термометр с DS18B20 программируемым разрешением Высокоточный цифроDS18S20 вой термометр Кремниевый серийный DS2401 номер Двухпортовое ОЗУ + DS2404 часы DS1822

Особенности

Тип корпуса

точность 2.0 °С

TO-92, SOIC-8

точность 0.5 °С, 24 бит EEPROM

TO-92, SOIC-8

точность 0.5 °С, 16 бит EEPROM

TO-92, 8- SOIC

-

TO-92, SOT223, CSP

4096 бит RAM

16- SOIC

DS2405

Адресуемый ключ

-

TO-92, SOT223, TSOC

DS2406

Сдвоенный адресуемый ключ с памятью

1024 бит EPROM

TO-92, TSOC

DS2409 DS2417

Ветвитель сети Часы реального времени с прерыванием

TSOC TSOC

83

Продолжение табл. 2.5 Тип ИС DS2422 DS2423 DS2430A DS2433 DS2450 DS2480B DS2490 DS2502 DS2505 DS2506 DS2740 DS2761 DS2770

DS2890 DS9502 DS9503

84

Описание 1-проводной цифровой термометр 1-Wire RAM with Counters 1-Wire EEPROM 1-Wire EEPROM 4 канальный АЦП драйвер сети преобразователь USB в 1-Wire сеть EPROM с однократной записью EPROM с однократной записью EPROM с однократной записью Высоко точный измеритель заряда Высокопрецизионный контроллер Li+ батареи Контроллер заряда и монитор батареи

цифровой потенциометр диод электростатической защиты диод электростатической защиты с резистором

Особенности

Тип корпуса

512 байт RAM

SO-24

4096 бит RAM

TSOC

256+64 бит EEPROM 4096 бит EEPROM -

TO-92, TSOC PR-35, SOIC SOIC SOIC SOIC-16

1024 бит EPROM 16384 бит EPROM

TO-92,SOIC8, CSP TO-92, TSOC

65536 бит EPROM

PR-35, SOIC

Измерение двунаправленного тока с 15 битной точностью 16 байт памяти SRAM общего назначения Измерение температуры с разрешением 0.125°С, 16 байт SRAM общего назначения -

µMAX-8 TSSOP-16 TSSOP-16

-

TSOC-6, TO92 TSOC

-

TSOC

Однопроводная сеть с интерфейсом 1-Wire (рис. 2.35) может эффективно применяться в системах охранной сигнализации, контроля доступа, сбора и обработки данных и т.п., например, iButton. Обмен данными в iButton производится через интерфейс 1-Wire. Питание устройства iButton получают из сигнального проводника, заряжая внутренний конденсатор в моменты, когда на шине нет обмена данными. Скорость обмена достаточна для передачи данных в момент касания контактного устройства. Протокол интерфейса 1-Wire обеспечивает возможность работы с множеством устройств iButton, подключенных параллельно к однопроводной шине. Команды интерфейса позволяют запросить адреса (ID) всех iButton, подключенных в данный момент к линии, и затем работать с конкретным устройством, переведя остальные в режим ожидания. Управление линией данных и выдачу команд производит ведущее устройство (1W-Master), в качестве которого может использоваться любой микроконтроллер или персональный компьютер (ПК). Для контроля данных используется вычисление контрольного кода (CRC), а также аппаратный промежуточный буфер в ОЗУ iButton. Данные сначала записываются в этот буфер, затем ведущий проверяет их правильность, и только после этого выдает команду ведомому устройству для их копирования из буфера в основную память. Для подключения iButton к персональному компьютеру фирмой Dallas Semiconductor выпускаются адаптеры, преобразующие сигналы стандартных портов компьютера (RS-232, LPT и USB) в сигналы 1-Wire. Программные драйверы и комплект разработчика iButton TMEX SDK свободно доступны на сайте фирмы, посвященном iButton [www.ibutton.com].

Рис. 2.35. Сетевая организации MicroLAN 85

В качестве примера на рис. 2.36 показана структурная организация микросхемы часов реального времени DS2404, а на рис. 2.35 – схема подключения к ведущей микросхеме, например, микроконтроллеру.

Рис. 2.36. Структурная схема DS2404 Компания Dallas Semiconductor начинает выпуск микросхемы DS2408 – 8канального адресуемого ключа с интерфейсом 1-Wire. Новый двунаправленный расширитель портов работает со стандартным интерфейсом Dallas Semiconductor 1-Wire. Микросхема DS2408 (рис. 2.37) хорошо подходит для применений, в которых требуется большое число портов ввода/вывода на удаленной периферии или системе, в тех случаях, когда управляющее устройство имеет недостаточное число доступных портов. Кроме того, несколько микросхем DS2408 могут работать на одной шине 1-Wire независимо друг от друга.

86

87

Рис. 2.37. Функциональная схема ИС DS2408

Микросхема DS2408 – двунаправленный порт с 8 каналами ввода/вывода, управляемый по одной сигнальной линии интерфейса 1-Wire. Выходы 8 каналов выполнены по схеме с открытым коллектором и имеют максимальное сопротивление 100 Ом. В новой микросхеме реализован вывод строба достоверности данных, который может использоваться для защелкивания входных/выходных данных, управлять преобразованием данных во внешней схеме или работать с шиной данных микроконтроллера. Состояние выводов может быть сохранено во внутреннем регистре для фиксирования мгновенных значений. Эта функция полезна для поддержки работы клавиатуры или опроса кнопок (рис. 2.38). Каждый DS2408 содержит 64-разрядный номер, который записан в ПЗУ лазером на этапе производства микросхемы, что гарантирует уникальность каждого прибора и абсолютную идентификацию в сети. Большое число микросхем DS2408 может быть подключено на одну шину 1-Wire независимо друг от друга. Управление DS2408 выполняется по стандартному интерфейсу 1-Wire, который реализуется минимальными аппаратными средствами управляющего устройства (одним выводом порта ввода/вывода микроконтроллера) Например, один канал порта ввода/вывода микроконтроллера может управлять тремя DS2408 и обеспечивать доступ к 24 дополнительным каналам ввода/вывода (рис.2.39). Этот канал ввода/вывода микроконтроллера должен аппаратно или программно поддерживать все функции интерфейса 1Wire. Кроме того, увеличение числа доступных каналов ввода/вывода связано с ограничением скорости передачи данных. Конечно, для очень многих применений время доступа к данным в единицы мс вполне приемлемо.

88

89

Рис. 2.38. Схема подключения двухпозиционных устройств к DS2408

90

Рис. 2.39. Схема “расширения” параллельных портов микроконтроллера

2.5. Высокоскоростной интерфейс LVDS Интерфейс LVDS – технология передачи данных дифференциальными сигналами малых напряжений ( Low Voltage Differential Signaling ). Для передачи сигналов используются малые перепады дифференциального напряжения ( до 350 мВ ) на двух линиях печатной платы или симметричного кабеля (рис. 2.40). Малые перепады напряжений и токовый выход передатчика обеспечивают малый уровень шумов и небольшую потребляемую мощность при скорости передачи данных до сотен мегабит в секунду на расстоянии до десятков метров. Первоначально интерфейс создавался для конфигураций "точка-точка", но допускаются и многоточечные конфигурации: один передатчик – много приемников. Интерфейс разработан фирмой National Semiconductor и был утвержден как стандарт ANSI/TIA/EIA-644. Стандарт не определяет логическую организацию, алгоритмы управления и форматы данных. +5 B

Терминатор 100 Ом

Симметричная линия связи I=3,5 mA

Передача "1"

+

+

TxD -

RxD

RxD

-

Передача "0" Передатчик

Приемник 1

Приемник 2

Рис. 2.40. Интерфейс LVDS Стандарт интерфейса LVDS определяет электрические характеристики физического уровня, ряд параметров не задаются жестко, что позволяет варьировать их в определенных пределах для разных областей применения. Максимальная скорость передачи данных зависит от типа линий связи и ее длины. Линия связи должна быть симметричной (незаземленной) и согласованной с резистором-терминатором на конце линии, рекомендуемое волновое сопротивление – 100 Ом. Предполагается, что линией связи могут быть симметричные проводники печатной платы или витая пара. Так как интерфейс предназначен для высокоскоростной передачи данных, характеристики всех компонентов должны строго соответствовать установленным требованиям. Передатчик формирует в линии связи токовые посылки одинаковой амплитуды 3,5 мА и разных направлений для 0 и 1 (рис. 2.40). Для стандартного терминатора сопротивлением 100 Ом – амплитуда импульсов напряжения 350 мВ (допустимый диапазон 250 – 450 мВ), длительности фронтов до 1,5 нс. Скорость передачи данных может достигать 655 Мбит/с, теоретический 91

предел (при идеальной линии связи) – 1,9 Гбит/с. В настоящее время выпускаются различные интерфейсные интегральные схемы для реализации LVDS. LVDS-канал состоит из передатчика, LVDS-приемника и соединительных линий — среды передачи, которая соединяет выход передатчика с входом приемника. Достигаемые скоростные параметры LVDS-канала определяются, кроме параметров приемника и передатчика, еще и соответствием среды передачи идеальным параметрам стандарта. При полном соответствии всех параметров легко достигается определенная стандартом скорость 622 Мбит/с. Мало того, уже существуют данные реальных тестовых испытаний, на которых достигается максимально возможная скорость передачи, превышающая 1 Гбит/c. Такие параметры достигаются при максимальном приближении к требуемым по стандарту значениям параметров среды передачи. Среда передачи LVDS-канала состоит из трех элементов — соединительных линий на печатной плате, разъемов, соединяющих печатную плату с кабелем, или печатные платы между собой, и кабеля, по которому передаются LVDS-сигналы. Возможны варианты отсутствия одного или нескольких из этих элементов (параметры улучшаются) или повторения нескольких элементов (параметры ухудшаются). Но в любом случае все составляющие среды передачи, от выхода LVDS-передатчика до входа LVDS-приемника, должны образовывать согласованную систему с определенными параметрами. В табл. 2.6 приведены основные электрические параметры LVDS-интерфейса. Таблица 2.6 Параметр

Наименование

Мин.

Макс.

Ед. изм.

VOD

Дифференциальное выходное напряжение

247

454

мВ

VOS

Опорное напряжение

1.125

1.375

В

DVOD

Изменение VOD

50

мВ

DVOS

Изменение VOS

50

мВ

ISA, ISB

Ток короткого замыкания

24

мА

92

Продолжение табл. 2.6 Параметр

Наименование

Мин.

Макс.

Ед. изм.

tr, tf

Длительность выходного фронта/ спада для скорости 200 Мбит/c

0.26

1.5

нс

tr, tf

Длительность выходного фронта/ спада для скорости < 200 Мбит/c

0.26

30 % от ширины бита

нс

IIN

Входной ток приемника

20

мкА

VTH

Изменение напряжения

±100

мВ

VIN

Диапазон входного напряжения

2.4

В

0

Наиболее простые микросхемы LVDS-интерфейса [www.ti.com]состоят из одного или двух приемников и одного или двух передатчиков (рис. 2.41. 2.42). Выводы DE и RE предназначены для активизации или запрещения передатчика и приемника.

a)

б)

Рис. 2.41. Функциональные схемы SN65LVDS179 (а), SN65LVDS180 (б)

93

а)

б)

Рис. 2.42. Функциональные схемы -SN65LVDS050 (а), SN65LVDS051 (б) LVDS-передатчик SN65LV1023A состоит из входного регистра “защелки” и преобразователя 10 битного параллельного кода в последовательный, а SN65LV1224A представляет собой LVDS-приемник, состоящий из преобразователя последовательного 10-битного кода в параллельный и выходного регистра “защелки”. С помощью пары этих микросхем легко реализовать удлинитель параллельного 10 битного порта (рис. 2.43). Максимальная тактовая частота, поддерживаемая микросхемами, находится в пределах от 10 МГц до 66 МГц. LVDS-устройства SN65LVDS93 и SN65LVDS94 предназначены для построения удлинителя параллельного порта до 16 бит (рис. 2.44). Их функциональные схемы приведены на рис. 2.45 и рис. 2.46 соответственно. Полный список микросхем LVDS-интерфейса фирмы Texas Instruments содержит несколько десятков различных устройств, с ним можно познакомиться на сайте [www.ti.com]. Интегральные схемы LVDS фирмы MAXIM: MAX9110/ MAX9112 - одно/двух- канальные драйверы линий связи LVDS с ультра- низким дифференциальным фазовым сдвигом импульсов в корпусах SOT23; MAX9111/ MAX9113 - одно/двух- канальные приемники линий связи LVDS с ультранизким фазовым сдвигом импульсов в корпусах SOT23; MAX9157 - четырехканальный шинный LVDS трансивер; MAX9159 -двухканальный приемник линий связи LVDS. 94

95

Рис. 2.43. Удлинитель 10-битного параллельного порта

96

Рис. 2.44. Удлинитель 16-битного параллельного порта на основе двух ИС LVDS

Рис. 2.45. Функциональная схема LVDS-передатчика SN65LVDS93 97

Рис. 2.46. Функциональная схема LVDS-приемника SN65LVDS94

98

3. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ МНОГОТОЧЕЧНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ 3.1. Интерфейс RS-485 Ранее широко распространенный интерфейс RS-232, кроме стандартности разъемов и сигналов, имеет жестко заданный алгоритм обмена и сетку стандартных скоростей, его функциональные возможности также весьма ограничены. Протокол RS-485 является стандартом интерфейса физического уровня и разработан в соответствии с требованиями современных технологий передачи данных. Интерфейс RS-485 поддерживает многоточечные соединения, использует симметричную линию связи и дифференциальные сигналы, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 (для стандартного входного сопротивления 12 кОм) и передачу на расстояние до 1200 м. Использование повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 узла. Интерфейс RS-485 поддерживает полудуплексную связь при топологии "общая шина" (рис. 3.1). Терминатор 120 Ом

B

Симметричная линия связи

Терминатор 120 Ом

A

RxD

TxD

+ + -

GND

RxD

TxD

+ + -

GND

RxD

+ + -

TxD

GND

Рис. 3.1. Интерфейс RS-485 Алгоритм управления интерфейсом должен исключать одновременную работу двух передатчиков. Дифференциальные сигналы, формируемые передатчиком в симметричной линии связи (витой паре), могут быть амплитудой от ±1,5 В до ±5 В с синфазной составляющей для приемников от -7 В до +12В. В примере (рис. 3.2) показаны уровни сигнала в проводниках линии связи при передаче двоичной последовательности 1011101.

99

Рис. 3.2. Сигналы в линии связи Уровни сигналов на порядок выше, чем в LVDS (единицы В). Это требует соответствующего повышения мощности приемопередатчиков и ограничивает на меньшем уровне максимальную скорость передачи сигналов. Как уже указывалось, протокол RS-485 не определяет алгоритмы взаимодействия при передаче данных. Это позволяет применять этот интерфейс как универсальное средство физического уровня в существующих телекоммуникационных технологиях. Применение определенных алгоритмов управления передачей данных может накладывать какие-либо дополнительные ограничения на параметры интерфейса. Например, управление доступом к общей линии связи (алгоритм "Token bus") для предотвращения одновременной работы нескольких передатчиков требует следующего ограничения скорости: максимальная длина сегмента в зависимости от скорости: скорость передачи (кбит/с) 9,6-187,5 500 1500 12000 длина сегмента (м) 1000 400 200 100 Так как многие устройства поддерживают логическую организацию интерфейса UART, для использования RS-485 выпускают ИС преобразователей интерфейса, например МАХ1480/МАХ1490. Это позволяет существенно расширить возможности стандартного интерфейса UART микроконтроллеров, не изменяя его логическую организацию. Пример структуры сообщения для такого применения интерфейса приведен на рис. 3.3. Отсутствие ограничений на логическую организацию в RS-485 позволяет также использовать его с любыми протоколами канального уровня. Например, в комплексе средств SIMATIC NET (Siemens) RS-485 – это реализация физического уровня для протоколов AS и PROFIBUS.

100

Рис. 3.3. UART-кадр в интерфейсе RS-485 Интерфейс RS-485 часто используется при создании современных локальных сетей различного назначения. Микросхемы интерфейса RS-485 выпускают многие фирмы мира. Однако несомненным лидером в разработке и выпуске новых микросхем драйверов является известная фирма MAXIM. В настоящее время фирма выпускает более 80 типов микросхем драйверов интерфейса RS-485/422. Версия интерфейса RS-422 использует такие же сигналы и средства их обработки, но предполагает передачу и прием сигналов по раздельным линиям связи и, следовательно, полный дуплексный режим обмена данными. Такая организация интерфейса предполагает либо структуру точка-точка, либо многоточечную структуру с единственным управляющим узлом. Все микросхемы драйверов можно условно разделить на 4 группы: микросхемы с питанием +5 В, микросхемы с расширенным диапазоном питания от 3 до 5.5 В, низковольтные микросхемы с питанием 3.3 В и микросхемы со встроенной оптической изоляцией. Основные технические характеристики этих групп микросхем приведены в табл. 3.1 – 3.4 [www.rtcs.ru]. В табл. 3.1 приведены микросхемы драйверов интерфейса RS-485/422 с питанием +5 В В табл. 3.1 – 3.4 приняты следующие обозначения: в колонке «Состояние RxD»: P — обозначает, что управляющий вход приемника переключает его либо в открытое состояние, либо переводит его в режим энергосбережения, O — означает, что управляющий вход только включает/выключает приемник; в колонке «Режим»: H — означает полудуплексный режим, т.е. интерфейс RS-485, F — обозначает полный дуплексный режим, т.е. интерфейс RS422.

101

Тип

TxD

RxD

Состояние RxD

Режим

Быстродействие, Мбит/с

Количество станций

Защита ESD

Ток потребления, mA

Корпус

Таблица 3.1

MAX1481

1

1

NC

F

0.25

256

-

0.3

10/µMAX

MAX1482

1

1

O

F

0.25

256

-

0.02

14/PDIP.300 14/SO.150

MAX1483

1

1

O

H

0.25

256

-

0.02

8/µMAX 8/PDIP.300 8/SO.150

MAX1484

1

1

NC

F

12

256

-

0.3

10/µMAX

MAX1485

1

1

NC

HF

0.25

256

-

0.3

10/µMAX

MAX1486

1

1

NC

HF

12

256

-

0.3

10/µMAX

MAX1487 MAX1487E

1

1

O

H

2.5

128 ±15 кВ

0.23

8/µMAX 8/PDIP.300 8/SO.150

MAX3040

4

0

-

-

0.25

-

±10 кВ

1

16/SO.150 16/SO.300 16/TSSOP

MAX3041

4

0

-

-

2.5

-

±10 кВ

1

16/SO.150 16/SO.300 16/TSSOP

MAX3042B

4

0

-

-

20

-

±10 кВ

1

16/SO.150 16/SO.300 16/TSSOP

102

Тип

TxD

RxD

Состояние RxD

Режим

Быстродействие, Мбит/с

Количество станций

Защита ESD

Ток потребления, mA

Корпус

Продолжение табл. 3.1

MAX3043

4

0

-

-

0.250

-

±10 кВ

1

16/SO.150 16/SO.300 16/TSSOP

MAX3044

4

0

-

-

2.5

-

±10 кВ

1

16/SO.150 16/SO.300 16/TSSOP

MAX3045B

4

0

-

-

20

-

±10 кВ

1

16/SO.150 16/SO.300 16/TSSOP

MAX3080 MAX3080E

1

1

P

F

0.115 256 ±15 кВ 0.375

14/PDIP.300 14/SO.150

MAX3081 MAX3081E

1

1

P

F

0.115 256 ±15 кВ 0.375

8/PDIP.300 8/SO.150

MAX3082 MAX3082E

1

1

P

H

0.115 256 ±15 кВ 0.375

8/PDIP.300 8/SO.150

MAX3083 MAX3083E

1

1

P

F

0.5

256 ±15 кВ 0.375

14/PDIP.300 14/SO.150

MAX3084 MAX3084E

1

1

P

F

0.5

256 ±15 кВ 0.375

8/PDIP.300 8/SO.150

MAX3085 MAX3085E

1

1

P

H

0.5

256 ±15 кВ 0.375

8/PDIP.300 8/SO.150

MAX3086 MAX3086E

1

1

P

F

10

256 ±15 кВ 0.375

14/PDIP.300 14/SO.150

MAX3087 MAX3087E

1

1

P

F

10

256 ±15 кВ 0.375

8/PDIP.300 8/SO.150 103

Состояние RxD

Режим

Быстродействие, Мбит/с

1

1

P

H

10

256 ±15 кВ 0.375

8/PDIP.300 8/SO.150

MAX3089 MAX3089E

1

1

P

H/ F

10

256 ±15 кВ 0.375

14/PDIP.300 14/SO.150

MAX3093E

0

4

O

-

10

128 ±15 кВ

2.4

16/PDIP.300 16/SO.150 16/TSSOP

MAX3095

0

4

O

-

10

128 ±15 кВ

2.4

16/PDIP.300 16/QSOP 16/SO.150

MAX3291

1

1

O

F

10

128

-

2

14/PDIP.300 14/SO.150

MAX3292

1

1

O

F

0.01

128

-

2

14/PDIP.300 14/SO.150

MAX3443E

1

1

P

H

10

128 ±15 кВ

10

8/PDIP.300 8/SO.150

MAX3460

1

1

P

F

20

128

-

2.5

14/PDIP.300 14/SO.150

MAX3461

1

1

P

F

20

128

-

2.5

14/PDIP.300 14/SO.150

MAX3462

1

1

P

F

20

128

-

2.5

8/PDIP.300 8/SO.150

MAX3463

1

1

P

H

20

128

-

2.5

8/PDIP.300 8/SO.150

104

Корпус

RxD

Ток потребления, mA

TxD

MAX3088 MAX3088E

Защита ESD

Тип

Количество станций

Продолжение табл. 3.1

Тип

TxD

RxD

Состояние RxD

Режим

Быстродействие, Мбит/с

Количество станций

Защита ESD

Ток потребления, mA

Корпус

Окончание табл. 3.1

MAX3464

1

1

P

H

20

128

-

2.5

8/PDIP.300 8/SO.150

MAX481 MAX481E

1

1

O

H

2.5

32

±15 кВ

0.3

8/µMAX 8/PDIP.300 8/SO.150

MAX483 MAX483E

1

1

O

H

0.25

32

±15 кВ

0.12

8/µMAX 8/PDIP.300 8/SO.150

MAX485 MAX485E

1

1

O

H

2.5

32

8/µMAX ±15 кВ 0.3-0.5 8/PDIP.300 8/SO.150

MAX487 MAX487E

1

1

O

H

0.25

128 ±15 кВ

0.12

8/µMAX 8/PDIP.300 8/SO.150

MAX488 MAX488E

1

1

O

F

0.25

32

±15 кВ

0.12

8/µMAX 8/PDIP.300 8/SO.150

MAX489 MAX489E

1

1

O

F

0.25

32

±15 кВ

0.12

14/PDIP.300 14/SO.150

MAX490 MAX490E

1

1

O

F

2.5

32

±15 кВ

0.3

8/µMAX 8/PDIP.300 8/SO.150

MAX491 MAX491E

1

1

O

F

25

32

±15 кВ

0.3

14/PDIP.300 14/SO.150

105

Одними из первых начали производиться микросхемы MAX481/483/485/487. Наличие у микросхем буквы «E» после обозначения означает встроенную защиту от электростатики. Эти микросхемы имели не очень хорошие показатели по сравнению с современными микросхемами. Они позволяли объединять в сеть только 32 устройства (за исключением драйвера MAX487, который мог объединять до 128 станций) и обеспечивали не очень высокую скорость передачи данных. Однако именно они и их аналоги легли в основу стандартного расположения выводов микросхем интерфейса RS-485. Расположение выводов микросхем этого семейства показано на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Расположение выводов семейства MAX481/483/485/487/1487 Семейство микросхем MAX3082/3085/3088 по выводам полностью совместимо со стандартным семейством MAX481/483/485/487/1487. Основными отличиями этой группы являются: • повышенная нагрузочная способность выходов, что позволяет объединять в сеть до 256 станций; • наличие защиты от электростатики для микросхем с буквой «E»; • наличие режима пониженного энергопотребления, в который микросхемы переходят при закрытии приемника (RE/=1); • повышенное быстродействие (500 кбит/с для MAX3085 и 10 Мбит/с для MAX3088). 106

Семейство микросхем MAX3463/3464 по выводам также полностью совместимо со стандартным семейством MAX481/483/485/487/1487. Основным отличием этой группы являются высокое быстродействие - 20 Мбит/с. Микросхема MAX1483 разработана специально для систем со сверхмалым энергопотреблением. Микросхема обладает средним быстродействием 250 кбит/с, током потребления в рабочем режиме не более 20 мкА и обеспечивает связь с 256 станциями. Для средств автоматизации представляет также интерес микросхема MAX3443E, предназначенная для работы в сетях с повышенным уровнем помех. Основные достоинства этой микросхемы: • высокое быстродействие, для 10 Мбит/с; • наличие режима пониженного энергопотребления, в который микросхемы переходят при выключении приемника и передатчика (через 50 нс), а также в случае включенного приемника при статичном состоянии входов более чем 800 нс (ток потребления в режиме экономии не превышает 10 мкА); • защита от электростатики до ±15 кВ; • встроенная защита от импульсных помех в линии до +60 V, защита работает независимо от состояния микросхемы и наличия или отсутствия ее питания; • схема автоматического определения неправильного подключения линий «A» и «B»; • средняя нагрузочная способность выходов, что позволяет объединять в сеть до 128 станций; • совместимость со стандартом J1708. В общем случае стандартная конфигурация сети RS-485 выглядит так, как показано на рис. 3.5. Управление драйверами осуществляется входами RE и DE, а передача информации осуществляется через DI и RO. Для соединения двух устройств используется упрощенная схема (рис. 3.6). Стандарт J1708 предполагает, что приемник всегда открыт, т.е. вывод RE соединен с общим проводом GND. Вход данных DI передатчика также соединен с общим проводом GND, а передача данных осуществляется по входу управления DE через инвертор. Таким образом, весь обмен осуществляется только двумя сигналами. Типовая схема включения по стандарту J1708 приведена на рис. 3.7. Еще одной особенностью стандарта является использование изолированной земли в шине, как показано на рис. 3.7.

107

108

Рис. 3.5. Стандартная структура сети на базе интерфейса RS-485

Рис. 3.6. Соединение точка-точка на базе интерфейса RS-485

Рис. 3.7. Типовая схема включения по стандарту J1708

109

Группа драйверов с расширенным диапазоном питания (табл. 3.2) представляет особый интерес, поскольку представители этой группы MAX3280(E)/3281(E)/3283(E)/3284(E) обладают сверхвысоким быстродействием (до 52 Мбит/с). Эти микросхемы выпускаются только в корпусах для поверхностного монтажа. Разводка выводов микросхем этого семейства показана на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Микросхемы семейства MAX3280(E)/3281(E)/3283(E)/3284(E) Приемник в этой группе микросхем всегда готов к приему сигналов. Микросхема MAX3280 содержит только приемник и поэтому возможности ее применения весьма ограничены. В остальных микросхемах управление передатчиком осуществляется для различных микросхем разными уровнями на выводе 5 (см. рис.3.8). В группе микросхем с низковольтным питанием (табл. 3.3) семейство микросхем MAX3483(E)/3485(E)/3486(E) аналогично семейству MAX483/485/487/1487 с той лишь разницей, что используется напряжение питания 3.3 В, а микросхемы MAX3485(E) и MAX3486(E) обладают повышенным быстродействием (10 Мбит/с и 2.5 Мбит/с соответственно). Микросхема MAX3362 имеет еще большее быстродействие — 20 Мбит/с и увеличенную нагрузочную способность до 256 узлов в сети.

110

0

1

P

-

52

128

MAX3281E

0

1

P

-

52

128

MAX3280E

0

1

P

-

52

128

MAX3471

1

1

P

H

0.064

64

MAX3094E

0

4

O

-

10

128

Корпус

MAX3283E

Ток потребления, mA

128

9

6/SOT23

9

6/SOT23

9

6/SOT23

9

5/SOT23

-

0.0016

52

Защита ESD

Количество станций

-

±15 кВ

Быстродействие, Мбит/с

P

±15 кВ

Режим

1

±15 кВ

Состояние RxD

0

±15 кВ

RxD

MAX3284E

Тип

TxD

Таблица 3.2

8/µMAX

2.4

16/PDIP.3 00 16/SO.150 16/TSSOP

±15 кВ

111

Тип

TxD

RxD

Состояние RxD

Режим

Быстродействие, Мбит/с

Количество станций

Защита ESD

Ток потребления, mA

Корпус

Таблица 3.3

MAX3096

0

4

O

-

10

128

±15 кВ

2.4

16/PDIP.300 16/QSOP 16/SO.150

MAX3097

0

3

P

-

32

256

±15 кВ

3.1

16/PDIP.300 16/QSOP 16/SO.150

MAX3098

0

3

P

-

32

256

±15 кВ

3.1

16/PDIP.300 16/QSOP 16/SO.150

MAX3362

1

1

NC H

20

256

-

1.7

8/SOT23

MAX3483 MAX3483E

1

1

O

H

0.25

32

±15 кВ

1

8/PDIP.300 8/SO.150

MAX3485 MAX3485E

1

1

O

H

10

32

±15 кВ

1

8/PDIP.300 8/SO.150

MAX3486 MAX3486E

1

1

O

H

2.5

32

±15 кВ

1

8/PDIP.300 8/SO.150

MAX3488 MAX3488E

1

1

O

F

0.25

32

±15 кВ

1

8/PDIP.300 8/SO.150

MAX3490 MAX3490E

1

1

O

F

10

32

±15 кВ

1

8/PDIP.300 8/SO.150

MAX3491 MAX3491E

1

1

O

F

10 12

32

±15 кВ

1

14/PDIP.300 14/SO.150

112

Последняя группа микросхем со встроенной оптической изоляцией содержит четыре семейства микросхем и имеет свои особенности. Все микросхемы этой группы выпускаются в относительно больших корпусах, имеют высокую потребляемую мощность при не очень высоком быстродействии, нуждаются в значительном количестве внешних элементов и имеют высокую стоимость (табл. 3.4). Однако наличие средств гальванической изоляции является весьма важным качеством в многочисленных

Тип

TxD

RxD

Состояние RxD

Режим

Быстродействие, Мбит/с

Количество станций

Защита ESD

Ток потребления, mA

Корпус

Таблица 3.4

MAX1480A

1

1

O

H

2.5

32

-

60

28/PDIP.600

MAX1480B

1

1

O

H

0.25

32

-

35

28/PDIP.600

MAX1480C

1

1

O

H

0.25

32

-

35

28/PDIP.600

MAX1480EA

1

1

O

H

2.5

128

±15 кВ

85

28/PDIP.600

MAX1480EC

1

1

O

H

0.016

128

±15 кВ

55

28/PDIP.600

MAX1490A

1

1

O

F

2.5

32

-

100

24/PDIP.600

MAX1490B

1

1

O

F

0.25

32

-

65

24/PDIP.600

MAX1490EA

1

1

O

F

2.5

32

±15 кВ

130

24/PDIP.600

MAX1490EB

1

1

O

F

0.016

32

±15 кВ

65

24/PDIP.600

MAX3157

1

1

P

H/ F

0.25

4

-

25

28/PDIP.600 28/SSOP

MAX3480A

1

1

O

H

2.5

32

-

180

28/PDIP.600

MAX3480B

1

1

O

H

0.25

128

-

120

28/PDIP.600

113

114 Рис. 3.9. Схема включения драйверов MAX1480

индустриальных применениях. В таких применениях надежная работа интерфейсных средств невозможна без дополнительной защиты, которую и обеспечивает гальваническая изоляция. Средства гальванической изоляции, их свойства и особенности применения будут рассмотрены подробнее в главе 5 Микросхемы семейства MAX1490 предназначены для организации сети на базе интерфейса RS-422. Микросхема MAX3157 предназначена для сверхмалых сетей с количеством станций до 4. Оставшиеся два семейства MAX1480 и MAX3480 имеют аналогичную внутреннюю структуру и отличаются только напряжением питания и потребляемым током. На рис. 3.9 приведена типовая схема включения микросхем семейства MAX1480. На рис. 3.10 показана типовая схема включения драйверов MAX1485/1486, предназначенных для построения интерфейса RS-422. В отличие от интерфейса RS-485 в интерфейсе RS-422 шины передаваемых и принимаемых данных разделены. Стандартная структура сети на базе интерфейса RS-422 показана на рис. 3.11. Применение 4-х проводной линии связи позволяет в структуре точка-точка (рис. 3.10) реализовать полнодуплексный режим передачи данных. Но в многоточечной структуре (рис. 3.11) возможные направления передачи данных строго связаны с тополо-гией связей передатчиков и приемников. В этой сети в качестве ведущего (Master) может выступать только один узел, а все остальные устройства могут быть только ведомыми (Slave). Аналогичные по параметрам и расположению выводов микросхемы драйверов интерфейсов RS-485/RS-422 изготавливают компании Analog Devices (табл. 3.5) [www.analog.com], Texas Instruments [www.ti.com], National Semiconductor [www.national.com], Signal Processing Excellence [www.sipex.com] и многие другие.

115

116 Рис. 3.10. MAX1485/1486 – драйверы интерфейса RS422

117

Рис. 3.11. Стандартная структура сети на базе интерфейса RS-422

118

Тип

Быстродействие (Мбит/с)

TxD

RxD

Режим энергосбережения

Состояние RxD

Напряжение питания (В)

Ток потребления (мкА)

Табл. 3.5

ADM4850 ADM4854 ADM483 ADM488 ADM489 ADM483E ADM2483 ADM4851 ADM4855 ADM4852 ADM4856 ADM485 ADM4853 ADM4857 ADM2486 ADM3485E ADM3491 ADM1486 ADM1485

0,115 0,115 0,250 0,250 0,250 0,250 0,500 0,500 0,500 2,5 2,5 5 10 10 20 20 20 30 30

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Yes No Yes No No Yes No Yes No Yes No No Yes No No Yes Yes No No

0 n/a 0 n/a n/a 0 n/a 0 n/a 0 n/a n/a n/a n/a n/a 0 0 n/a n/a

5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 3,3 3,3 5 5

160 160 650 74 74 360 n/a 200 200 500 500 2200 500 500 n/a 1200 1200 2000 2200

3.2. Интерфейс USB Многоточечный последовательный интерфейс USB предназначен для сопряжения PC с периферийными устройствами. Первая версия протокола утверждена в 1996 г., в настоящее время действует версия 2.0 2000 г. (дополнена 3-й скоростью обмена high speed – 480 Мбит/с). Технические характеристики USB: • высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) (12 Мбит/с) с максимальной длиной кабеля для высокой скорости обмена 5 м; • низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) (1.5 Мбит/с) с максимальной длиной кабеля для низкой скорости обмена 3 м; • максимальное количество подключенных устройств 127; • подключение устройств с различными скоростями обмена; • напряжение питания для периферийных устройств 5 В. Основные свойства USB: • поддержка алгоритма plug&play – автоматическое обнаружение подключенных устройств, идентификация, инициализация и образование различных конфигураций; • реализация асинхронного и изохронного режима обмена данными с широким диапазоном скоростей и размеров пакетов данных; • управление потоком данных и средства обработки ошибок. Топология шины – древовидная с одним управляющим контроллером Host USB и остальными ведомыми устройствами Device USB (рис. 3.12). Вершина топологического дерева – Host USB, остальные уровни-слои содержат концентраторы (hub) и/или устройства Device USB. Соединение устройства Device USB с концентратором – "точка-точка", разветвление шины – только через концентраторы. Максимальное количество слоев – 7, нижний слой содержит только Device USB. Верхний слой образован Host USB, следующий слой содержит корневой концентратор с несколькими USB портами, к которым могут быть подключены и Device USB, и концентраторы, формирующие следующие слои топологии шины. Линии связи в интерфейсе USB 4-х проводные: VCC, GND, D+, D–. Данные передаются дифференциальными сигналами по симметричной линии D+, D– с использованием потенциального кода NRZI. Временные характеристики дифференциальных сигналов зависят от скорости обмена данными. Амплитуда дифференциальных сигналов не менее 200 мВ с допустимым диапазоном синфазной составляющей 0,8-1,5 В. Общий провод GND и провод питания VCC (5 В) используются для питания устройств, подключенных к шине.

119

PC

уровень 1

Host

уровень 2

Hub1

Hub2

Device

Device

уровень 3

Hubs or Devices

Device

Device

уровень 7

Рис. 3.12.Топология интерфейса USB Host инициирует все передачи данных. Типовой алгоритм обмена (транзакции) включает передачу трех пакетов. Первый пакет (token packet) посылает Host, в нем определены тип и направление транзакции, адрес Device USB. Адресуемое устройство может принять условия транзакции или отвергнуть. Передача данных определена термином pipe и может быть двух типов: поток и сообщение. Протокол не определяет характер обмена "поток", а задает алгоритм обмена "сообщение". Для контроля сообщений используется алгоритм CRC, с раздельными контрольными полями для управляющего поля и поля данных. Алгоритм контроля гарантирует обнаружение всех одно- и двукратных ошибок. Разрешается троекратное повторение сообщений при обнаружении ошибок. Протокол USB описывает средства физического уровня (сигналы, линии связи, разъемы), канального уровня (процедуры управления и контроля обмена данными) и прикладного уровня (алгоритмы взаимодействия с устройствами, включая инициализацию и "горячее" подключение новых устройств). 120

В последнее время появились беспроводные средства интерфейса USB с применением радиоканалов. Микросхемы для реализации USB-интерфейса можно условно разделить на три группы: микроконтроллеры с встроенным USB-модулем, отдельные микросхемы USB-контроллеров и микросхемы – преобразователи USBинтерфейса в RS-232. В связи с тем, что в интерфейсе USB реализован достаточно сложный протокол обмена информацией, в устройствах сопряжения с интерфейсом USB необходим микропроцессорный блок, обеспечивающий поддержку всех необходимых функций протокола. Поэтому практически все известные варианты реализации интерфейса USB основаны на применение интерфейсных микросхем, содержащих микроконтроллеры. В табл. 3.6. приведены примеры таких микросхем разных производителей с краткими описаниями их особенностей. Таблица 3.6

Atmel [www.atmel.com]

Фирма

Наименование

Описание

AT43301

Контроллер LS/FS-хаба 1-4 с общим управлением питанием нисходящих портов.

AT43312A

Контроллер LS/FS-хаба 1-4 с индивидуальным управлением питанием нисходящих портов.

AT43320A

Микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающими в LS/FS-режимах, 512 байт ОЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный и SPIинтерфейсы. Функция имеет 3 КТ с буферами FIFO размером 8 байт. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием.

121

Продолжение табл. 3.6

Atmel [www.atmel.com]

Фирма

122

Наименование

Описание

AT43321

Контроллер клавиатуры на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 512 байт ОЗУ, 16 кбайт ПЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 20 программируемых вывода, последовательный и SPI-интерфейсы. Функция имеет 3 КТ. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием.

AT43324

Микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 2 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 512 байт ОЗУ, 16 кбайт ПЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 34 программируемых вывода. Клавиатурная матрица может иметь размер 18х8. Контроллер имеет 4 выхода для подключения светодиодов. Функция имеет 3 КТ. Для нисходящих портов хаба предусмотрено индивидуальное управление питанием.

AT43355

Микроконтроллер на ядре AVR. Имеет встроенные USB-функцию и хаб с 2 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 1 кбайт ОЗУ, 24 кбайт ПЗУ, 32х8 регистров общего назначения, 27 программируемых выводов, последовательный и SPI-интерфейсы, 12-канальный 10разрядный АЦП. Функция имеет 1 управлющую КТ и 3 программируемых КТ с буферами FIFO размером 64/64/8 байт.

Продолжение табл. 3.6 Наименование

Описание

8x931Ax

Микроконтроллер с архитектурой MSC-51. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режимах, 256 байт ОЗУ, 0/8 кбайт ПЗУ, 8х4 регистра общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный интерфейс, интерфейс управления клавиатурой. Функция имеет 3 КТ с буферами FIFO размером 8/16/8 байт.

8x931Hx

Микроконтроллер с архитектурой MSC-51. Имеет встроенную USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 256 байт ОЗУ, 0/8 кбайт ПЗУ, 8х4 регистра общего назначения, 32программируемых вывода, последовательный интерфейс, интерфейс управления клавиатурой. Функция имеет 3 КТ с буферами FIFO размером 8/16/8 байт.

8x930Ax

Микроконтроллер с архитектурой MSC-251. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режимах, 1024 байта ОЗУ, 0/8/16 кбайт ПЗУ, 40 регистров общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный интерфейс. Функция имеет 4(6) КТ с буферами FIFO размером 16/1024(256)/16(32)/16(32)/(32)/(16) байт.

8x930Hx

Микроконтроллер с архитектурой MSC-251. Имеет встроенную USB-функцию и хаб с 4 внешними нисходящими портами, работающие в LS/FS-режимах, 1024 байта ОЗУ, 0/8/16 кбайт ПЗУ, 40 регистров общего назначения, 32 программируемых вывода, последовательный интерфейс. Функция имеет 4 КТ с буферами FIFO размером 16/1024/16/16 байт.

Intel /developer.intel.com/ design/usb/

Фирма

123

Продолжение табл. 3.6

Microchip /www.microchip.com/

Фирма

124

Наименование

Описание

PIC16C745

Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS-режиме, 256 байт ОЗУ, 14336 байт ПЗУ, 22 программируемых вывода, последовательный интерфейс, 5-канальный 8битный АЦП.

PIC16C765

Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS-режиме, 256 байт ОЗУ, 14336 байт ПЗУ, 33 программируемых вывода, последовательный интерфейс, 8-канальный 8битный АЦП.

PIC18F2450

Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 16384 байт ПЗУ, 19 программируемых выводов, последовательный и SPI-интерфейсы, 5канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ.

PIC18F2550

Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 32768 байт ПЗУ, 19 программируемых выводов, последовательный, CAN- и SPI-интерфейсы, 5канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ.

PIC18F4450, PIC18F4550

Микроконтроллер с архитектурой PIC. Имеет встроенную USB-функцию, работающую в LS/FS-режиме, 1536 байт ОЗУ, 16384 байт ПЗУ, 34 программируемых вывода, последовательный, CAN- и SPI-интерфейсы, 8канальный 10-битный АЦП. Функция имеет 8 КТ.

Окончание табл. 3.6 Фирма

Наименование

Texas Instruments /www.ti.co m/

TUSB2036

Fairchild Semiconductor /www.fair childsemi.com/

USB100

Описание Контроллер LS/FS-хаба 1-3 с индивидуальным управлением питанием нисходящих портов. Контроллер манипуляторов (мышь, трекбол, джойстик). Поддерживает 2D/3D-мышь, джойстик с тремя потенциометрами, манипулятор с 16 кнопками.

Фирма Atmel выпустила также 8-разрядный микроконтроллер с полноскоростным USB-портом – AT89C5131.AT89C5131 реализует полноскоростной USB модуль совместимый с требованиями USB версий 1.1 и 2.0. Этот модуль интегрирует USB приемопередатчики со стабилизатором напряжения 3,3 В и последовательным интерфейсом (SIE) с цифровой ФАПЧ и восстановлением синхронизации 48 МГц. Логика определения событий USB порта (сброс и приостановка/возобновление) и буферы FIFO поддерживают принудительное управление конечными точками (EP0) и до 6 универсальных конечных точек (EP1/EP2/EP3/EP4/EP5/EP6) с минимальной нагрузкой на программную часть. Краткая характеристика модуля USB, встроенного в микроконтроллер: • формирование прерывания при завершении передачи; • конечная точка 0 для управления передачей – 32 байтовый буфер FIFO; • 6 программируемых конечных точек с направлениями ввода и вывода и режимами передачи: массовый, прерывающийся и изохронный режимы; • конечные точки 1, 2, и 3, содержащие 32-байтовый буфер FIFO; • конечные точки 4, 5 с размерами буферов FIFO 2 x 64-байта с двойной буферизацией (режим Ping-pong); • конечная точка 6 с 2 x 512-байтовый буфер FIFO с двойной буферизацией (режим Ping-pong); • прерывания по приостановке/возобновлению; • сброс при подаче питания и сброс USB шины: • генерация 48 МГц схемой ФАПЧ для полноскоростного функционирования шины; • разъединение USB шины по запросу микроконтроллера. 125

Если в используемом микроконтроллере нет встроенного USB модуля, то можно применять устройства фирмы National Semiconductor USBN9603/USBN9604, представляющие собой интегрированные контроллеры узлов USB. Эти устройства (рис. 3.13) содержат необходимый для реализации USB приёмопередатчик с 3,3 В стабилизатором и обеспечивают аппаратную поддержку механизма последовательного интерфейса (SIE), FIFO конечных точек (EP) USB, универсального 8-разрядного интерфейса, генератора тактовых импульсов и интерфейса MICROWIRE/PLUS. Эти возможности таких интерфейсных устройств поддерживают семь программных каналов конечных точек: один для принудительного управления конечной точкой и шесть для поддержки прерываний массовых и равновременных конечных точек. Каждый канал конечной точки имеет предназначенный для него FIFO, 8 байтов для управления конечной точкой и 64 байта для других конечных точек. 8разрядный параллельный интерфейс поддерживает мультиплексированные и немультиплексированные типы шин адреса/данных микрокнтроллера. Выходная схема программируемых прерываний позволяет конфигурировать устройства при различных требованиях к передаче сигналов прерываний. Отличительные особенности USBN9603/USBN9604: • низкий уровень электромагнитных помех; • низкий ток в режиме ожидания; • генератор 24 МГц; • улучшенный механизм DMA; • полностью статический режим HALT (остановка) с асинхронным запуском для операций переключения шины питания; • работа при напряжении питания 3,3 В или 5 В; • улучшенный регулятор диапазона входного сигнала 3,3В; • все однонаправленные FIFO размером 64 байта; • сброс при включении питания и счётчик задержки запуска; Более подробную информацию можно найти на сайте производителя www.national.com, а на сайтах www.gaw.ru и www.chipdoc.ru перевод на русский язык “ Data Sheet” на эти микросхемы.

126

Рис. 3.13. Структурная схема устройств USBN9603/USBN9604 Компаниями Sipex и Maxim выпускаются USB приемопередатчики SP5301 и MAX3301E, MAX3453E- MAX3456E, предназначенные для обеспечения на физическом уровне интерфейса между низковольтными специализированными интегральными микросхемами и USB устройствами. MAX3301E - полностью интегрированный USB On-the-Go (OTG) приемопередатчик со встроенным преобразователем напряжения (рис. 3.14), позволяющий мобильным телефонам, PDA и цифровым фотокамерам непосредственно обмениваться данными между собой и с другими периферийными USB устройствами. Использование MAX3301E в персональном компьютере позволяет непосредственно обмениваться данными с фотопринтерами или внешними съемными дисками.

127

Рис. 3.14. Функциональная схема MAX3301E 128

Основные характеристики MAX3301E: • USB 2.0- совместимый полно-/низко- скоростной OTG приемопередатчик; • предназначен для USB On-the-Go встроенных или периферийных устройств; • защита выводов (ID _IN, VBUS, D + и D) от ЭСП в диапазоне ±15 кВ; • встроенный преобразователь напряжения для формирования сигнала VBUS, имеющий минимальное напряжение питания менее 3 В; • внутренние компараторы сигналов VBUS и ID; • встроенные подтягивающие/притягивающие резисторы, позволяющие работать в режиме ведомого/ведущего; • I2C- совместимый интерфейс управления; • встроенный линейный стабилизатор; • работа в режиме прерывания и в автоматическом режиме; • поддержка SRP и HNP; • низкое потребление в дежурном режиме; • доступность в тонком 32 контактном QFN и 5x5 контактном UCSP корпусах. MAX3301E содержит USB OTG приемопередатчик, преобразователь для формирования напряжения VBUS, линейный стабилизатор и I2C-совместимый двухпроводный последовательный интерфейс. Встроенная схема сдвига уровней позволяет микросхеме MAX3301E вести обмен данными с микросхемами, работающими с источниками напряжения от +1.65 до +3.6 В. OTGсовместимый преобразователь напряжения MAX3301E может работать при напряжении питания от +3 до +4.5 В. При этом он формирует OTGсовместимый выходной сигнал VBUS, а токовая нагрузочная способность по этому выходу равняется 8 мА. MAX3301E позволяет формировать USB OTG интерфейс различным высокоинтегрированным микросхемам, которые по тем или иным причинам не могут формировать напряжение VBUS, равное +5 В. Прибор поддерживает USB OTG протокол запроса сеанса связи (SRP) и протокол ведущего согласования (HNP), контролируя и измеряя VBUS при помощи внутренних компараторов. Типовая схема включения MAX3301E показана ни рис. 3.15. MAX3301E имеет защиту выводов VBUS, ID _IN, D+ и D- от ЭСП в диапазоне ±15 кВ, доступен в 5x5 контактном UCSP и 32 контактном 5x5x0.8 мм QFN корпусах и имеет рабочий температурный диапазон от –40°C до +85°C.

129

130 Рис. 3.15. Типовая схема включения MAX3301E

Изделия FT8U232АМ и FT8U245АМ фирмы FTDI [www.ftdichip.com] и изделия CP2101 и CP2102 фирмы Silicon Laboratories [www.silabs.com] предназначены для преобразования интерфейса USB в интерфейс RS-232 (UART). Установив в разрабатываемом приборе микросхему FT8U232AM или FT8U245AM, можно преобразовать USB в "виртуальный" последовательный или параллельный порт. FT8U232AM – преобразователь USB в традиционный последовательный интерфейс (рис. 3.16). Этот преобразователь можно устанавливать в USBмодемах, переходниках COM–USB, сканерах штрих-кода, измерительной аппаратуре, то есть фактически в любых устройствах, ранее использовавших сравнительно медленные интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485. Эта микросхема способна передавать данные в оба направления со скоростью до 2 Мбит/с, причем пользователю не требуется никаких знаний об устройстве и работе USB. Микросхема FT8U245AM (рис. 3.17) позволяет организовать обмен данными между периферийным устройством и компьютером со скоростью до 1 Мбит/с. Ее можно применять в ISDN и ADSL модемах, цифровых камерах и MP3-проигрывателях, в измерительной аппаратуре. В отличие от FT8U232AM она не содержит блока UART, передавая принятые по USB данные из буфера FIFO или принимая их в этот буфер по восьмиразрядной параллельной двунаправленной шине данных (D0-D7). Эта микросхема удобно стыкуется с любыми микропроцессорами и микроконтроллерами, используя их каналы прямого доступа к памяти (DMA) или порты ввода-вывода. На рис. 3.18 показан пример подключения микроконтроллера к USB-порту компьютера с помощью FT8U245AM. Обе эти микросхемы могут быть подключены к USB-порту компьютера только при наличии в нем соответствующего драйвера. Драйвер виртуального COM-порта (VCP – Virtual COM Port) для любой интересующей операционной системы можно найти на официальном Интернет-сайте компании FTDI в тематическом разделе Drivers and Utilities. VCP-драйверы представлены в двух вариантах: для устройств, подключаемых через преобразователь интерфейса и поддерживающих технологию PnP (Plug and Play), и аналогичных устройств без такой поддержки (non-PnP). Схему законченного преобразователя интерфейса USB/RS-232 и рисунки печатной платы предлагают на сайте [www.institute-rt.ru].

131

132

Рис. 3.16. Структурная схема преобразователя FT8U232AM

133

Рис. 3.17. Структурная схема преобразователя FT8U245AM

134

Рис. 3.18. Схема подключения микроконтроллера к USB-порту

Аналогичные по функциональному назначению микросхемы CP2101 и CP2102 выпускает фирма Silicon Laboratories. Однокристальный преобразователь интерфейса RS-232/USB CP2101 (рис. 3.19) содержит следующие элементы: интегрированный USB трансивер без дополнительных внешних элементов; интегрированный генератор (не требуется внешнего кварца); интегрированная память EEPROM (512 Байт) для хранения ID, серийного номера и т.п.; схему сброса на кристалле; интегрированный стабилизатор напряжения (выход 3.3 В). USB контроллер (Specification 2.0) – полноценный модемный интерфейс UART со скоростью обмена от 300 бит/с до 921,6 кбит/с, с 2 буферами приемника и передатчика по 512 байт и драйвером virtual com port device. Рекомендуемые применения: • преобразователь RS-232 в USB; • USB интерфейсный кабель мобильных телефонов; • USB интерфейсный кабель PDA; • преобразователь USB в RS-232. Возможно использование двух напряжений питания: независимое питание 3.0V – 3.6V, питание от USB порта 4.0V – 5.25V. Микросхема СP2102 отличается от CP2101 повышенным объемом памяти EEPROM, Tx- и Rx-буферов (рис. 3.20). Уровни сигналов на выводах микросхем CP2101/02 соответствуют уровням UART. В этой связи микроконтроллер или устройство UART могут быть подключены непосредственно к портам CP2101/02 (рис. 3.21), а для преобразования в уровни сигналов RS-232 потребуется еще одна микросхема (см.п. 1.2). Так же как и FT8U232/245 микросхемы CP2101/02 могут быть подключены к USB-порту компьютера только при наличии в его операционной системе соответствующего драйвера, который можно найти на официальном сайте компании Silicon Laboratories [www.silabs.com]. Среди последних разработок в рамках интерфейса USB следует отметить беспроводные интерфейсные средства с использованием радиоканала для передачи данных.

135

136 Рис. 3.19. Функциональная схема ИС CP2101

137

Рис. 3.20. Функциональная схема ИС CP2102

138 Рис. 3.21. Схема подключения ИС CP2101/02

Впервые технология WirelessUSB LS была представлена фирмой Cypress [www.cypress.com] в конце 2002 года, а первые приборы не ее основе появились в декабре 2003 года. Технология WirelessUSB была разработана для адресации несетевых сегментов беспроводной компьютерной периферии в приложениях точка – точка и точка – инфраструктура, которые сегодня в основном используют собственные решения, базирующиеся на беспроводных технологиях частотных диапазонов 27МГц, 433 МГц, 868 МГц и 900МГц. Приборы WirelessUSB LS с трансиверами CYWUSB6934 от Cypress и ATR2434 от Atmel связываются на расстоянии до 10 метров со средним временем ожидания менее чем 4 миллисекунды и скоростью передачи данных 62,5 кбит/с. Возможности интегрального трансивера плюс цифровая полоса частот в одном чипе – это технология, позволяющая разработчику существенно уменьшить время реализации готового устройства, его стоимость и энергопотребление. Данные приборы используют уникальный запатентованный метод, позволяющий уменьшить влияние интерференционной помехи. Благодаря двунаправленной передаче данных с использованием модуляции с прямым расширением спектра сигнала (Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS) и динамической перестройке частоты обеспечивается гарантированная доставка сообщений. Оперируя в открытом частотном диапазоне 2,4ГГц (глобальная полоса частот ISM), устройства не требуют лицензирования радиоканала и могут эксплуатироваться по всему миру без ограничений. В начале 2004 года компания Cypress представила обновленную версию WirelessUSB LR для связи на расстоянии до 50 метров для коммерческих и промышленных применений. Трансивер CYWUSB6934 изготавливается в двух корпусах: SOIC-28 и QFN-48, его структурная схема показана на рис. 3.22. С помощью интерфейса SPI трансивер может быть подключен к микроконтроллеру (рис. 3.23) или к стандартному USB-порту компьютера (рис. 3.24). Кроме вышеназванных устройств компания Cypress выпустила еще два устройства: CYWUSB6941(radio transceiver) и CYWUSB6942 (Baseband IC). Они позволяют обеспечить высокоскоростной (до 217,6 кбит/с) обмен данными между периферийными устройствами, используя для этого нелицензируемый диапазон 2,4 ГГц. Работая в общем комплексе, эти два чипа способны обеспечить взаимодействие семи устройств, расположенных на расстоянии до десяти метров друг от друга. Несомненным преимуществом данной технологии перед Bluetooth является отсутствие специальных драйверов для операционной системы, требуется лишь поддержка USB-интерфейса.

139

140

Рис. 3.22. Структурная схема трансивера CYWUSB6934

141

Рис. 3.23. Схема подключения трансивера CYWUSB6934 к микроконтроллеру

142

Рис. 3.24. Схема подключения трансивера CYWUSB6934 к USB-порту

Беспроводные Wi-Fi USB адаптеры – это новейшие USB-устройства, предназначенные для организации беспроводных Wi-Fi сетевых соединений. Wi-Fi USB адаптер соответствует стандарту IEEE 802.11b и работает на скоростях 1, 2, 5.5 и 11 Мбит/с, используя автоматическую подстройку скорости для обеспечения оптимальной скорости и надежности подключения. Адаптер Wi-Fi USB разработан для настольных и мобильных персональных компьютеров, расширяя их возможности и позволяя использовать функции роуминга. С помощью данного устройства пользователь USB Wi-Fi может создать беспроводную ЛВС или соединить компьютер с существующей сетью Ethernet при радиусе зоны покрытия до 300 м. Например, Wi-Fi USB адаптера SMC2862W-G (рис. 3.25) – это Wi Fi USB 2.0 адаптер со скоростью передачи 54 Мбит/с. Разработанный для использования, как в офисе, так и дома, новый адаптер обеспечивает скорость, диапазон покрытия и безопасность, которые удовлетворяют требованиям самых взыскательных пользователей. Поддерживая стандарт IEEE 802.11g, этот новый EZ Connect g Wireless USB 2.0 адаптер в 5 раз быстрее, чем наиболее распространенные в настоящее время устройства стандарта 802.11b, вместе с этим обеспечивается их 100% совместимость.

Рис. 3.25. USB адартер SMC2862W-G Набор микросхем с поддержкой технологии PRISM Nitro обеспечивает весьма высокую скорость передачи данных, достаточную даже для передачи потокового видео, мультимедиа и другого критичного к полосе пропускания трафика. SMC2862W-G разработан в соответствии со стандартом USB 2.0 и обратно совместим с USB 1.1. 143

4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ Промышленные сети (Fieldbus) –– это технологии телекоммуникационных сетей, ориентированные на применение в задачах управления техническими объектами. Объектом управления может служить и относительно простой бытовой агрегат, и промышленное технологическое оборудование, и целое производство. В рассмотренных ранее интерфейсах решается ограниченный круг задач, непосредственно связанных с передачей сигналов. В частности, эти интерфейсы не содержат средства контроля и восстановления искаженных при передаче данных, средства управления потоком данных и т. п. В протоколах промышленных сетей задача организации взаимодействия в распределенных системах решается комплексно, обычно предусматривается весь комплекс средств необходимых для передачи данных. Вследствие этого реализация промышленных сетей существенно сложнее. Основой построения промышленных сетей являются процедуры и алгоритмы, которые показали высокую эффективность и универсальность в классических компьютерных сетях. Следует отметить, что технологии телекоммуникационных сетей достаточно полно согласуются с современными требованиями и тенденциями в системах управления. Это постоянно возрастающая «интеллектуализация» всех устройств, функциональная гибкость, простота модернизации, работа в реальном масштабе времени, высокая надежность, управляемость и самовосстанавливаемость при нештатных ситуациях, низкие затраты на создание и эксплуатацию. Естественно, что единого комплекса средств для всех задач найти невозможно. В настоящее время применяются и продолжают развиваться несколько сетевых технологий. Это Foundaition Fieldbus, Profibus, CAN сети и другие. Первые два протокола содержат по две различные технологии передачи данных: на нижнем уровне сети – система передачи данных низкоскоростная для локальных систем управления, на верхнем уровне – Ethernet (до 100 Мбит/с) для объединения локальных систем в единые АСУ. Протоколы содержат и средства организации взаимодействия между этими двумя сетевыми уровнями. В CAN сети протоколы определяют только нижний уровень сети, но с большими функциональными возможностями. В то же время нет никаких препятствий для организации взаимодействия с другими телекоммуникационными технологиями с помощью средств выходящих за рамки CAN протокола. В большинстве промышленных сетей используют топологию связей "общая шина". Такая топология является наиболее эффективной в силу простоты реализации, функциональной гибкости, легкости модернизации действующих систем, низкой стоимости. В большинстве протоколов в качестве линий 144

связи используют витые пары. Важными требованиями, которым должны удовлетворять промышленные сети, являются высокая надежность и необходимость работать в условиях высокого уровня помех, создаваемых работающим технологическим оборудованием. 4.1. CAN сети CAN протокол, созданный фирмой Bosch для автомобильной электроники в 80-х годах, хорошо согласуется с основными требованиями нижнего уровня промышленных сетей. В настоящее время CAN сети – одна из наиболее перспективных технологий промышленных сетей. CAN протокол давно вышел за рамки фирменной разработки и утвержден в качестве международного стандарта. Существует ряд международных организаций и объединений, которые обеспечивают необходимый уровень стандартизации. Например, организация CiA объединяет более 300 фирм, которые либо разрабатывают и производят средства для построения CAN сетей, либо заняты их внедрением в различных сферах; CAN протоколы поддерживаются международной ассоциацией автомобильных инженеров SAE. CAN протокол определяет 2 уровня модели OSI: физический и канальный. Технология передачи данных, как и в других телекоммуникационных сетях, основана на использовании общих ресурсов, стандартизации алгоритмов и процедур, интеллектуализации средств реализации этих алгоритмов и процедур. Для прикладных задач протокол не нуждается в реализации остальных уровней модели OSI и поэтому очень часто описывается упрощенной трехуровневой моделью. Третий прикладной уровень выходит за рамки CAN протокола и обычно определяется CAN HLP протоколами. HLP протоколы могут существенно облегчить согласование требований прикладных задач с возможностями CAN сети. CAN протокол в рамках стандартов ISO11898, ISO11519 и J1939 (SAE) утвержден на базе протокола CAN 2.0 A/B (Bosch) и определяет физический и канальный (MAC) уровни с топологией "общая шина". В отличие от классических компьютерных сетей, CAN сети ориентированы на передачу сообщений небольших размеров – до 8 байт. Благодаря ряду особенностей поддерживают работу в реальном масштабе времени, мультимастерность, прием и обработку сообщений любым количеством узлов сети, неразрушающий механизм арбитража, самоконтроль и самодиагностику узлов. Кроме того, любой узел обладает возможностью запрашивать необходимые данные. Все эти особенности, а также размеры и формат сообщений, сформированные по требованиям систем управления техническими объектами, определяют высокую эффективность и популярность CAN сетей. Ряд вопросов построения сети выходят за рамки CAN протокола. Решению этих вопросов посвящены HLP протоколы. Это, например, возможность 145

передачи сообщений больших размеров и основные алгоритмы восстановления утерянных сообщений (LLC процедуры), инициализация сети с автоматическим определением параметров передачи данных, способы определения идентификаторов в сети и их распределение между узлами, структура сообщений и многое другое. Основными особенностями CAN сети являются механизм неразрушающего арбитража и отсутствие явно определенной адресации узлов и сообщений. В большинстве случаев используется адресация сообщений. Побитовый неразрушающий арбитраж доступа к разделяемой среде передачи данных (общей шине) реализуется использованием рецессивного и доминантного уровней сигналов. С помощью доминантного сигнала уровень приоритета устанавливается для сообщений, а не для узлов, хотя и используется близкий к Ethernet метод вероятностного доступа с прослушиванием несущей. Для построения CAN сети применяются стандартные аппаратные средства: CAN – контроллеры и трансиверы (приемопередатчики). Многие ведущие производители выпускают такие устройства в виде интегральных схем. Трансиверы обеспечивают прием и передачу сигналов по линиям связи (физический уровень), а CAN – контроллеры управляют доступом к разделяемой среде передачи данных, а также производят подготовку и обработку передаваемых кадров (канальный и частично физический уровень) 4.1.1. Физический уровень CAN сети Передача сигналов производится по двухпроводной линии, классический вариант – витая пара. Могут применяться и другие физические линии связи, например, предусматривается возможность передачи по линии связи и сигналов, и питающего напряжения. Скорость передачи данных стандартизована и может лежать в диапазоне от 10 кбит/с до 1 Мбит/с. Из-за особенностей алгоритма арбитража применяется сигнальный код NRZ, а максимальная длина линии связи и скорость передачи данных жестко связаны. Время двойного оборота, которое определяется задержкой сигналов, должно быть меньше длительности одного битового интервала. На количество узлов ограничений нет. Побитовый неразрушающий арбитраж использует доминантный и рецессивный уровни сигналов в линии связи. Если трансиверы двух узлов одновременно формируют разные уровни сигналов, то в линии связи будет передаваться доминантный уровень. Протокол предполагает контроль уровня сигнала в линии связи параллельно с передачей, если сигнал в линии отличается от передаваемого, узел обязан прервать передачу. Таким образом, передача сообщения с доминантными сигналами всегда будет продолжаться, а передача сообщения с рецессивными сигналами должна быть прервана при одновременной работе нескольких трансиверов. 146

CAN протокол амплитуду сигналов жестко не определяет, границы сигналов заданы на уровне 1/3 от напряжения питания. При стандартном напряжении 5 В эти границы составляют 1,5 В и 3,5 В. Доминантный сигнал (сигнал 0) соответствует напряжению больше 3,5 В на шине CAN H и напряжению меньше 1,5 В на шине CAN L. Рецессивный уровень (сигнал 1) – одинаковые напряжения на обеих шинах. Входы трансиверов идентифицируют сигналы по разности напряжений, поэтому синфазные помехи не приводят к искажению сигналов. Для повышения надежности в трансиверах рекомендуется применять стандартные средства гальванической развязки. Синхронизация требует выделения синхросигналов из принимаемых сигналов. Т.к. код NRZ предполагает переключение сигналов только на границах битовых интервалов, протокол запрещает передачи длинных последовательностей одинаковых сигналов. Используемый алгоритм бит-стаффинга реализует добавление противоположного бита после любой последовательности, содержащей пять одинаковых бит. Это позволяет обеспечить надежную синхронизацию при передаче произвольных битовых последовательностей. Кроме того, последовательности, содержащие более пяти одинаковых бит подряд, используются как сообщения об ошибках. Тактовые генераторы всех узлов автономны и должны работать на номинально одинаковых частотах. Для обеспечения надежной синхронизации битовый интервал (время передачи одного бита, определяемое скоростью передачи) разбивается на временные кванты (квант – период тактовых импульсов). В битовом интервале (рис. 4.1) по стандарту может содержаться от 8 до

25 временных квантов. Для синхронизации всегда используется Рис. 4.1. Битовый интервал для синхронизации

147

первый временной квант каждого битового интервала, а идентификация сигнала производится в последней четверти битового интервала (Sample point на рис. 4.1). Максимальное расхождение во временных границах не превышает одного временного кванта для узлов с реально отличающимися тактовыми частотами (частоты совпадают только номинально). Это расхождение не выводит точку идентификации (sample point) за допустимые пределы. Синхроимпульсы формируются по каждому переключению из доминантного в рецессивный уровень. Так как бит-стаффинг запрещает в кадре передачу более 5 одинаковых бит подряд, синхроимпульсы будут формироваться не реже одного раза за десять битовых интервалов. Разница в тактовых частотах узлов сети не должна приводить к ошибкам синхронизации за этот период, что несложно обеспечить современными аппаратными средствами. Таблица 4.1

148

Рекомендуемые значения скоростей передачи с указанием максимальной длины линий связи, временных квантов (величина обратная тактовой частоте) и количества временных квантов в битовом интервале приведены в табл. 4.1. Стандартное номинальное значение тактовой частоты, необходимое для синхронизации на максимальной скорости, равно 8 МГц. Для решения основных задач физического уровня выпускаются интегральные схемы CAN трансиверов, работающих с различными стандартными напряжениями питания и типами линий связи в соответствии с требованиями CAN протокола . 4.1.2. Канальный уровень CAN сети Алгоритмы управления CAN протокола реализуются специальными аппаратными средствами – CAN контроллерами. Эти контроллеры выпускаются либо в виде отдельных интегральных схем (ИС), либо являются встроенными элементами более сложных устройств. CAN контроллер в комплекте с ИС CAN трансивера обеспечивает работу сети, реализуя все необходимые функции: от управления доступом к разделяемой среде передачи данных (MAC процедуры) до передачи сигналов по линии связи. Для HLP протоколов остаются только функции настройки сети: автоматический выбор и задание скорости передачи, поддержка алгоритмов контроля сообщений, передача сообщений большого объема, автоматическое распределение идентификаторов в сети и т.п. Эти задачи могут быть решены и без HLP протоколов, при проектировании сети можно вручную задать все необходимые параметры и режимы и произвести настройку CAN контроллеров. HLP протоколы позволяют автоматизировать настройку сети и, в ряде случаев, изменять настройку в процессе работы. CAN сеть мультимастерная, т.е. все узлы имеют равные права доступа. Если шина свободна, каждый из узлов в произвольный момент времени может начинать передачу сообщения (кадра). Передаваемые сообщения принимаются всеми узлами, CAN контроллер каждого узла содержит фильтр сообщений. Этот фильтр может быть настроен на обработку сообщений с определенными идентификаторами (адресами), все остальные сообщения будут игнорироваться. Т.е. сообщения в сети могут приниматься и обрабатываться любым числом узлов в зависимости от настройки их входных фильтров. Это позволяет, например, обрабатывать сообщения одного датчика всеми узлами, которым эти данные необходимы. При попытке одновременной передачи кадров несколькими узлами работает механизм поразрядного неразрушающего арбитража, обеспечивающего первоочередной доступ сообщениям с высоким уровнем приоритета (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and Arbitration on Message Priority – CSMA/CD+AMP). 149

Передача приоритетного сообщения будет продолжена, а остальные узлы должны прервать передачу до освобождения шины. Уровень приоритета определяется положением и количеством доминантных бит в поле арбитража, в котором передается идентификатор сообщения. Меньшему значению идентификатора соответствует более высокий уровень приоритета. Каждый передающий узел, формируя сигналы на шине, контролирует ее состояние и продолжает передачу до тех пор, пока состояние шины и передаваемые сигналы совпадают. Прекращение передачи происходит только при передаче рецессивного бита, если одновременно какой-либо другой узел передает доминантный бит. При этом узел, формирующий доминантный бит, передачу сообщения продолжит. Содержание передаваемых данных обозначается 11-битным идентификатором (29-битный идентификатор в расширенном формате), стоящим в самом начале сообщения. Этот идентификатор, как указывалось ранее, определяет приоритет сообщения. Кроме того, обычно идентификаторы присваиваются не узлам, а сообщениям и определяются содержащимися в сообщениях данными. Такой тип рассылки сообщений называется "схема адресации, ориентированная на содержимое". При этом один узел может отправлять сообщения с различными идентификаторами в зависимости от характера передаваемых данных, а также принимать и обрабатывать сообщения с различными идентификаторами в зависимости от настройки входных фильтров. В результате применения схемы адресации, ориентированной на содержимое, обеспечивается высокая степень конфигурируемости и гибкости системы. Добавление в сеть новых узлов может осуществляться без модификации аппаратной или программной части работавших ранее узлов сети. CAN протокол предусматривает два алгоритма передачи данных: • передающий узел самостоятельно передает кадр данных, остальные узлы его принимают и обрабатывают; • узел может послать запрос на необходимые данные, по этому запросу узел-источник данных передает сообщение, которое, как и в первом случае, принимается и обрабатывается. Данные передаются в кадре данных (data frame), а для запроса данных предусмотрен кадр запроса (remote frame), имеющий сходную структуру. Кадр для передачи по шине состоит из семи основных полей (рис. 4.2). CAN протокол поддерживает два формата кадров (стандартный и расширенный), которые различаются только длиной идентификатора (ID). Кадр стандартного формата начинается доминантным (0) стартовым битом "начало кадра" (SOF - Start of Frame). За ним следует поле арбитража, содержащее 11-битный идентификатор и бит RTR запроса передачи (Remote Transmission Request). Этот бит указывает, передается ли кадр данных (бит RTR – 0) или кадр запроса (бит RTR – 1), в котором отсутствует поле данных. 150

Рис. 4.2. CAN кадр Управляющее поле содержит бит расширения идентификатора (IDE – identifier extension), который указывает тип формата кадра: стандартный (0) или расширенный (1). В этом поле также находятся четыре бита DLC для указания длины поля данных и зарезервированный для будущего применения бит R0. В расширенном формате после бита IDE следуют 18 дополнительных бит идентификатора (удлинение поля Arbitration Field до 32 бит). За управляющим полем идут поле данных (0-8 байт) и поле циклического контроля CRC длиной 15 бит плюс рецессивный бит ограничителя этого поля. Образующий полином CRC для контроля кадра – (x15 + x14 + x10 + x8 + x7 + x4 + x3 + 1). Поле подтверждения (АСК) состоит из области АСК длиной в 1 бит и ограничителя поля АСК. АСК-бит помещается на шину передатчиком как рецессивный (логическая 1). Приемники, корректно принявшие эти данные, преобразуют его в логический 0, делая его доминантным. Таким образом, передающий узел получает подтверждение, что хотя бы один приемник правильно принял его сообщение. Сообщения подтверждаются приемниками независимо от результата тестирования данных при приёме. Конец сообщения указывается EOF (7 рецессивных бит), после которого идет пауза. Длина паузы равна минимальному количеству битов (3 бита), отделяющих последовательные сообщения. В CAN протоколе не используется подтверждение сообщений. Вместо этого сигнализируется о возникших ошибках передачи. Всего в CANпротоколе реализовано пять механизмов проверки на наличие ошибок. Флаг ошибки – это сообщение, содержащее 6 доминантных бит подряд. Другие узлы, приняв такую последовательность, также могут передать флаг ошибки. Первые три алгоритма контроля реализованы на уровне сообщений: • Циклический контроль. Контролируемые поля кадра от SOF до CRC. При использовании этого метода в конце передачи добавляются биты циклического избыточного кода. При приеме сообщения происходит его повторное вычисление и сравнение с полученным кодом циклического контроля. Если эти два значения не совпадают, то выявляется ошибка CRC. 151

• Контроль кадра. Проверяется соответствие структуры передаваемого кадра его фиксированному формату и размеру. Ошибки, которые могут возникнуть при проверке кадра, получили название "ошибки формата". • Ошибки подтверждения. Как уже ранее было сказано, принятые кадры подтверждаются всеми приемниками. Если передатчик не получил никакого подтверждения, то это может означать, что приемники обнаружили ошибку (искажено поле АСК), либо приемники вообще отсутствуют в сети. Следующие два алгоритма определения ошибок реализованы в протоколе CAN на битовом уровне: • Мониторинг шины. Одна из особенностей CAN сети состоит в том, что передающий узел контролирует сигнал на шине во время передачи. Таким образом, каждый узел может наблюдать за уровнем сигнала на шине и определять различие переданного и принятого бита. Расхождение сигналов в поле арбитража требует прекращения передачи, а расхождение в других полях кадра генерирует ошибку. • Заполнение битами. В CAN используется сигнальный код NRZ. При длинных последовательностях битов с одним и тем же значением возможен сбой синхронизации. Если в сообщении подряд идут пять битов с одинаковым значением, то передатчик автоматически вставляет дополнительный бит. Этот бит автоматически удаляется из сообщения приемниками. Если будет получено шесть и более последовательных битов с одним и тем же значением, это считается ошибкой. Если в течение передачи кадра хотя бы один узел обнаружит ошибку (локальная ошибка), то он передает кадр ошибки, который аварийно завершает текущую передачу. В этом случае все узлы сети не обрабатывают принятое сообщение, чем достигается непротиворечивость данных во всей сети. Узлы сети, не обнаружившие ошибку, после приема кадра ошибки должны повторить передачу кадра ошибки (глобализация ошибки), поэтому максимальная длина этого поля может достигать 12 доминантных бит. Завершается кадр ошибки ограничителем флага ошибки из 8 рецессивных бит. После стандартной паузы (3 бита), прерванная кадром ошибки передача должна быть повторена. Как правило, повторная передача начинается в течение периода времени, соответствующего передаче 23 битов, отсчитываемого с момента обнаружения ошибки. Для реализации процедур самоконтроля каждый узел CAN сети содержит два счетчика: счетчик ошибок приема (REC) и счетчик ошибок передачи (TEC). Счетчики автоматически инкрементируются после обнаружения каж152

дой ошибки и декрементируются после корректной передачи или приема кадра. В зависимости от состояния счетчиков ошибок узел может находиться в одном из трех состояний: активной ошибки, пассивной ошибки, отключен от шины. Состояние активной ошибки является основным для узла CAN сети и предполагает его нормальное функционирование. При обнаружении ошибки в этом состоянии узел посылает кадр активной ошибки (6 доминантных бит). Состояние активной ошибки будет продолжаться до тех пор, пока число ошибок в любом из счетчиков не превышает 127. Если число ошибок превышает 96, микроконтроллеру узла передается сообщение о критическом числе ошибок. При числе ошибок более 127, но менее 256 узел переходит в состояние пассивной ошибки. Состояние пассивной ошибки свидетельствует о часто повторяющихся ошибках. Узел из этого состояния может самостоятельно вернуться к активной ошибке, если число ошибок в счетчиках станет менее 128. При обнаружении очередной ошибки узел имеет право передать только кадр пассивной ошибки (6 рецессивных бит), который не может изменить текущую передачу любого другого узла. При повторении прерванной передачи этого узла должна быть сделана дополнительная пауза (8 рецессивных бит) для того, чтобы не мешать передаче кадров других узлов. Если число ошибок в любом из счетчиков превысит 255, узел должен отключиться от шины (на практике REC содержит только 8 двоичных разрядов и поэтому число ошибок приема не может превысить этот порог). Самостоятельно CAN контроллер узла не может вернуться в рабочее состояние. Если произведен внешний сброс, CAN контроллер возвращается в состояние активной ошибки и после паузы 128х11 (1408) может передавать сообщения. CAN протокол определяет правила накопления числа ошибок в счетчиках REC и TEC. В зависимости от вида ошибки увеличение числа ошибок в счетчиках может быть от 1 до 8 при обнаружении однократной ошибки. Декремент содержимого счетчиков в состоянии активной ошибки производится всегда только на 1. Это позволяет присваивать разные веса различным ошибкам. Например, обнаружение ошибки при приеме увеличивает REC на единицу одновременно с отправкой кадра активной ошибки; если принимается доминантный бит после отправки узлом кадра активной ошибки, REC увеличивается на 8, т.к. это означает, что только данный узел обнаружил ошибку. TEC увеличивается на 8 при передаче кадра ошибки. Успешная передача кадра уменьшает TEC на 1 (если значение не 0). Успешный прием кадра узлом уменьшает REC (если он был не 0) на 1 в состоянии активной ошибки; если узел был в состоянии пассивной ошибки, в REC устанавливается величина от 153

119 до 127 (т.е. при TEC менее 128 узел перейдет в состояние активной ошибки). Любой узел может также послать кадр перегрузки (overload frame), если, во-первых, он не успевает обрабатывать поступающие сообщения и не может обеспечить прием следующего сообщения, во-вторых, при приеме доминантных бит в паузе между кадрами (это может означать потерю синхронизации при приеме). Кадр перегрузки имеет такой же формат, как и кадр ошибки, но передается всегда только после завершения приема кадра. А кадр ошибки может быть передан только в процессе передачи кадра. Кадр перегрузки не увеличивает состояние счетчиков ошибок и не приводит к повторной передаче кадров. Допускается передача узлом не более 2 кадров перегрузки подряд. В соответствии со всеми процедурами контроля: • передача кадра считается успешной, если не обнаружено ошибок до конца поля EOF; • прием кадра считается успешным, если не обнаружено ошибок и в течение межкадрового интервала (3 бита после EOF). Необходимо помнить, что CAN протокол не содержит эффективных средств контроля и восстановления искаженных данных кроме процедуры контроля CRC. Процедуры LLC не предусмотрены, несмотря на высокую помехоустойчивость возможны выпадения и вставки. Если необходимы дополнительные средства контроля данных, они должны реализовываться HLP протоколами. В настоящее время выпускают CAN контроллеры, которые поддерживают одну из трех версий протокола. Версия CAN 2.0A поддерживает работу только с кадрами стандартного формата, имеющими 11-битный идентификатор. CAN 2.0B passive обеспечивает передачу кадров стандартного формата, а прием и обработку кадров и стандартного формата, и расширенного формата с 29-битным идентификатором. CAN 2.0B active обеспечивает обработку кадров обоих форматов. Стандартная структура CAN контроллера приведена на рис. 4.3. Очевидно, что CAN контроллер должен содержать буферные ЗУ и для передаваемых данных, и для принимаемых данных. Реализация процедур CAN протокола, как правило, производится аппаратно с передачей через трансивер выходных сигналов узла (Tx) и входных сигналов с шины (Rx). Приемный фильтр аппаратно производит селективную запись принимаемых кадров по их идентификаторам в буферное ЗУ. Предполагается, что буфер передачи должен обеспечивать хранение, по крайней мере, одного сообщения, а буфер приема – не менее двух сообщений. Чаще всего CAN контроллеры имеют больший объем буферных ЗУ. Доступ к данным в буферных

154

Tx

Rx

Буфер передачи данных

(формирование кадров, обнаружение ошибок, подтверждение, синхронизация, бит-стаффинг) Фильтр приема кадров

Буфер приема данных

Интерфейс контроллера

Реализация протокола

Рис. 4.3. Структура CAN контроллера ЗУ может производиться по алгоритму FIFO либо в более сложных реализациях с учетом уровня приоритета, определяемого идентификатором. Интерфейс CAN контроллера с управляющим микроконтроллером узла – стандартный. Через этот интерфейс производится настройка параметров, режимов, приемного фильтра и т.п., а также обмен данными с CAN шиной. В настоящее время производится достаточно большое число управляющих микроконтроллеров, которые содержат встроенные средства для обмена данными по CAN сети. В связи с тем, что CAN протокол определяет только процедуры физического и MAC уровней, а построение сети требует решения и других задач, связанных, например, с процедурами LLC, процедурами выбора параметров и режимов при инициализации работы узлов, разработаны так называемые CAN HLP протоколы. 4.1.3. CAN HLP протоколы К настоящему времени известно уже более четырех десятков CAN HLP. Среди CAN HLP наибольшее распространение в системах промышленной автоматизации получили четыре, поддерживаемых ассоциацией CiA: CAL/CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet и SDS. CAL/CANopen. CAL не является ориентированным на конкретные приложения протоколом, не содержит каких-либо профилей, привязанных к конкретным устройствам, и не определяет содержание передаваемых данных, но предлагает стандартизованные элементы сетевого сервиса прикладного уровня. CAL включает в себя четыре составные части: • спецификация CAN сообщений (CMS CAN Message Specification); 155

• сетевое управление (NMT Network Management); • распределение идентификаторов (DBT Identifier Distributor); • управление уровнем (LMT Layer Management). CMS определяет типы объектов взаимодействия в рамках объектноориентированного подхода, правила и механизмы передачи данных разных типов посредством CAN кадров, включая передачу пакетов длиной более 8 байт. Сетевое управление построено на взаимодействии типа ведущийведомый (master-slave). Один модуль сети является NMT-мастером, все остальные – NMT-ведомые. NMT-мастер инициализирует и управляет NMTведомыми, которые принимают участие во взаимодействии, и позволяет им общаться между собой посредством CMS-сервисов. Также в задачи сетевого управления входят контроль ошибок и конфигурирования устройств. Благодаря DBT-сервисам происходит бесконфликтное распределение идентификаторов среди модулей под контролем DBT-мастера. Посредством LMTсервисов возможны запрос и изменение текущих параметров в модулях (значений идентификаторов, скорости передачи, битового квантования и т. п.) непосредственно из CAN-сети. Результатом дополнения CAL явилось появление более "конкретного" протокола CANopen. По существу CANopen является приложением прикладного уровня CAL. В сети CANopen на прикладном уровне модули обмениваются между собой объектами-сообщениями COB (Communication Object), включающими в себя один или несколько кадров. Администрированием сети занимается NMT-мастер, который инициализирует устройства, обеспечивает контроль ошибок, а также производит их периодическую "перекличку" (Life Guarding) для выявления узлов, находящихся в нерабочем состоянии ввиду физического отсутствия или отключения от шины (bus off) по счетчику ошибок. Для максимального упрощения процесса интеграции модулей в единую сеть используется концепция профилей. К настоящему времени завершено формирование следующих профилей устройств: • модули ввода/вывода (аналоговые и цифровые) (DSP-401); • приводы и модули управления перемещением (DSP-402); • элементы человеко-машинного интерфейса (DSP-403); • измерительные устройства и регуляторы (WD-404); • кодеры (DSP-406). CAN Kingdom. Протокол шведской компании KVASER-AB занимает особое место среди CAN HLP не только из-за своего необычного названия (CAN королевство), но и в значительной степени благодаря оригинальной концепции сетевого взаимодействия и эффективности CAN-приложений на его основе. Основой сетевого взаимодействия CAN Kingdom является принцип: "Модули обслуживают сеть" (MSN Modules Serves the Network) в отли156

чие от принципа "Сеть обслуживает пользователей" (NSM Network Serves the Modules), свойственного компьютерным сетям. CAN система на базе протокола CAN Kingdom обладает следующими особенностями: • Распределение CAN идентификаторов находится под полным контролем разработчика. • Максимальное время прохождения любого сообщения в сети предсказуемо. • Во время начальной инициализации системы происходит обязательный этап настройки протокола, включая построение форматов данных, начиная с битового уровня, методов управления шиной, распределение идентификаторов и т. д. • В системе всегда должен присутствовать (как минимум до завершения настройки протокола) супервизор (Король), производящий инициализацию системы, контроль подключенных узлов и т. д. Ни один модуль не может принимать участие в сетевом обмене без разрешения Короля. • Перед инициализацией сети каждый модуль должен иметь свой номер (CAN Kingdom не описывает конкретный способ установки номера модуля это может быть DIP-переключатель, энергонезависимая память или конфигурация соединителя) и "знать" идентификатор сообщения инициализации (королевское письмо) и скорость передачи данных в сети. • В сеть CAN Kingdom возможна интеграция любых CAN-модулей, включая разработанных для других протоколов, например, DeviceNet или SDS. • Не существует каких-либо рекомендуемых скоростей передачи данных. Но за первые 200 мс после подачи питания узел обязан настроиться на прослушивание шины на скорости 125 кбит/с. Допустимы отличающиеся от ISO 11898 спецификации физического уровня. Наличие одного центра-Короля, который содержит всю информацию о системе, избавляет от использования профилей устройств, часто применяемых в других HLP. DeviceNet – протокол, разработанный и опубликованный в 1994 году компанией Allen-Bradley корпорации Rockwell, – недорогое, простое и эффективное решение для объединения разнообразных устройств промышленной автоматизации. Важной особенностью сети DeviceNet является возможность питания модулей непосредственно от сетевого кабеля, также допускается применение нескольких источников питания в любой точке шины. Все это дает возможность построения автономной сети, не зависящей от наличия или качества внешнего питания. Сообщения в сети DeviceNet могут быть двух типов: 157

• Сообщения ввода/вывода (I/O messages) предназначены для целей управления устройствами и передачи данных в реальном времени между узлами в широковещательном или в режиме точка-точка. Используют идентификаторы с высоким приоритетом, которые и определяют содержание сообщения. • Явные сообщения (Explicit messages) для многоцелевого обмена данными в режиме точка- точка. Обеспечивают типичный сервис запрос/ответ. Используют идентификаторы с низким приоритетом и применяются обычно для конфигурирования устройств и целей диагностики. При необходимости передачи данных длиной более 8 байт применяется механизм фрагментации. В зависимости от потребностей обмена и возможностей модулей, возможны мастер-слуга (master-slave), мультимастерный (multi-master), или равноправный (peer to peer) способы взаимодействия устройств. Пересылки данных могут инициироваться путем опроса, циклически или по изменению их значения (change of state). Максимальное число узлов в сети DeviceNet – 64. SDS – разработка компании Honeywell Inc. Наряду со стандартом DeviceNet, SDS представляет собой еще одно недорогое и законченное решение для сетевого управления интеллектуальными устройствами в системах промышленной автоматизации. Сообщения в сети SDS носят название APDU (Application layer Protocol Data Unit) – блоки данных протокола прикладного уровня. APDU представляет собой кадр стандартного формата (расширенный формат в SDS-сети не применяется). Сеть SDS всегда требует наличия единственного мастера-менеджера сети как минимум на этапе включения для выполнения автонастройки модулей. В процессе работы сети допускается наличие нескольких мастеров на шине, но они должны функционировать в пределах своих адресных доменов, а при включении сети только один из них может брать на себя функцию сетевого менеджера для автонастройки скорости устройств. APDU используется в следующих сервисах прикладного уровня: • change of State (OFF, ON, OFF ACK, ON ACK) – обнаружение изменения состояния логического устройства; • write (ON State, OFF State, ON State ACK, OFF State ACK) – управление состояниями логического устройства. • channel – обеспечение как широковещательного (multicast), так и равноправного (peer to peer) каналов соединения; • connection – открытие/закрытие индивидуальных типов соединения; • write – чтение атрибутов объектов устройства; • read – изменение атрибутов объектов устройства; • action – команда объекту устройства выполнить действие; 158

• event – сигнализация о событии объектом устройства. При инициализации взаимодействия модулей сети SDS используются 4 сервисных функции-примитива: • запрос (Request) – генерация APDU устройством-инициатором соединения; • ответ (Response) – ответный APDU устройства-ответчика; • индикация (Indication) – фиксация факта приема APDU устройствомответчиком; • подтверждение (Confirm) – подтверждение приема APDU устройством-инициатором. Применение CAN протокола в качестве коммуникационного средства в системах автоматизации в настоящее время постоянно расширяется. Универсальность и функциональная гибкость позволяет создавать эффективные интерфейсы при самых различных требованиях. Определенные дополнительные задачи, выходящие за рамки CAN протокола, могут решаться с помощью HLP протоколов. Следует учитывать, что достоинства CAN протокола реализуются существенным усложнением алгоритмов работы интерфейсных средств. Этот фактор не является препятствием для применения этой коммуникационной технологии. Существует весьма широкая номенклатура технических средств автоматизации от отдельных интегральных микросхем до сложных функциональных модулей, содержащих встроенные CAN интерфейсы. 4.1.4. Средства реализации CAN технологии Многие ведущие производители электронных компонентов выпускают CAN – контроллеры и трансиверы в виде интегральных схем. CAN-трансиверы, реализующие физический уровень коммуникационной сети, производятся компаниями Philips, Bosch и др. (табл. 4.2). CAN-трансивер фирмы Atmel – интегральная схема ATA6660 (рис. 4.4), выполненная по технологии Atmel Smart Power BCD60-III. Она специально разработана для высокоскоростного CAN-контроллера (CAN-C) с дифференциальным режимом передачи данных между CAN-контроллерами и физическими дифференциальными линиями шины.

159

Mietec

SGS-Thomson

Temic (Siliconix)

MTC-3054

82C250

82C251

L9615

Si9200EY

SN65HVD230 (SN65HVD231)

SN65HVD232

0.5

1

1

1

0.5

1

1

1

Температ. защита

(1,2)

n.a.

yes

yes

(1, 2)

yes

yes

yes

Задержка [нс]

230

100

170

170

230

120 (4)

70

70

Напряжение питания [В]

5

5

5

5

5

5

3,3

3,3

Ток потребления [мA]