Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт»




НазваниеУчебное пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт»
страница1/7
Дата конвертации22.07.2013
Размер0.85 Mb.
ТипУчебное пособие
  1   2   3   4   5   6   7


Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Волжская государственная академия водного транспорта»

Кафедра информатики, систем управления

и телекоммуникаций

Серия «Информационные технологии

в системах управления и телекоммуникаций»
Выпуск 4
М.М. Чиркова, А.А. Вольхин, С.А. Токарев
Внешние интерфейсы

управляющих ЭВМ
Часть 2

Архитектура ЭВМ. Коммуникационные интерфейсы
Учебное пособие

для студентов очного и заочного обучения

технических специальностей

Нижний Новгород

Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ»

2010

УДК 681.5

Ч64

Редакционная коллегия серии «Информационные технологии в системах управления и телекоммуникаций»:

д.т.н., профессор Ю.С. Федосенко (отв. редактор),

д.т.н., профессор М.М. Чиркова,

к.т.н., доцент В.И. Логинов,

к.т.н., доцент А.В. Преображенский

Чиркова, М.М.

Внешние интерфейсы управляющих ЭВМ. В 2 ч. Ч. 2. Архитектура ЭВМ. Коммуникационные интерфейсы : учеб. пособие для студ. оч. и заоч. обуч. технич. специальностей / М.М. Чиркова, А.А. Вольхин, С.А. Токарев. – Н. Новгород : Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2010. – 76 с.
Изложены краткие характеристики и принципы работы основных последовательных интерфейсов от RS-232 до USB. Подробно рассматривается физическая и программная реализация базового интерфейса RS-232/485, используемого в системах управления технологическими процессами.

Материал пособия основывается на курсах лекций: «ЭВМ в системах автоматизации и управления техническими средствами», «Архитектура ЭВМ и систем» и «Системы управления энергетическими и технологическими процессами».

Для студентов дневной и заочной формы обучения технических специальностей.
Работа рекомендована к изданию кафедрой информатики, систем управления и телекоммуникаций (протокол № 5 от 21.05.2009 г.).

© ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2010

Введение
Современный уровень развития вычислительной техники позволяет включить её в автоматизированные технологические комплексы и возложить на неё управление процессом, а также функции, связанные со сбором, обработкой, хранением информации и прогнозированием развития ситуаций. Современные автоматизированные комплексы отличаются друг от друга по уровню автоматизации и принципу построения. По уровню автоматизации различают комплексы с низким и высоким уровнем.

Судовые комплексы с низким уровнем автоматизации включают в себя ряд разобщенных устройств, решающих простейшие «подзадачи», связанные с управлением конкретным техническим устройством. Учет взаимосвязей задач, решаемых для конкретного объекта, полностью ложится на судоводителя.

При более высоком уровне автоматизации в централизованных комплексах решение и учет взаимосвязей вышерассмотренного круга задач производится одной (центральной) ЭВМ. Такое построение систем было характерным для начального этапа комплексной автоматизации, когда ЭВМ были сравнительно дорогостоящими и круг решаемых задач не слишком велик. При высоком уровне автоматизации возрастает сложность математического обеспечения ЭВМ, резко повышаются требования к ее производительности и надежности. Кроме того, централизованные системы имеют пониженную живучесть, т. к. выход из строя ЭВМ приводит к прекращению функционирования всей системы.

В последнее время проектируются модульные системы сбора и обработки информации и выработки управляющих воздействий на объект. При модульном построении весь комплекс подразделяется на ряд самостоятельных подсистем, решающих определенные подзадачи, из входящих в главную задачу системы, например, управления движением судна. Таким образом, модульные системы состоят из блоков или модулей (рис. 1), каждый из которых может функционировать как самостоятельно, так и в рамках всей системы, подчиняясь командам подсистем более высокого уровня. В настоящее время модульное построение систем управления является преобладающим.



Рис. 1. Блок-схема модуля 1-го уровня
Для судов с высоким уровнем автоматизации разработана 3-уровневая система контроля и управления. Центральная ЭВМ (ЦЭВМ) 3-го (высшего) уровня связана с ЭВМ 2-го уровня. Периодически ЦЭВМ осуществляет связь с компьютерами 2-го уровня: передает новые установки, приказы, получает информацию о состоянии контролируемых объектов. Компьютеры 2-го уровня обмениваются информацией с модулями 1-го уровня. Модули нижнего, 1-го, уровня для управления состоянием объекта, как правило, имеют персональные компьютеры, микроконтроллеры или встроенные регуляторы (так, например, дизель имеет встроенный в корпус регулятор частоты вращения вала). Компьютеры 1-го уровня осуществляют связь с внешней средой: с датчиками объекта, исполнительными устройствами, сигнализацией. Связь осуществляется через порты: параллельные дискретные или аналоговые. Связь между компьютерами различного уровня осуществляется через коммуникационные порты с последовательным интерфейсом. Интерфейс – определенное схемное решение в совокупности с программным обеспечением.

Передачу информации между компьютерами различного уровня реализуют обычно по однопроводной (иногда двухпроводной – в случае интерфейса токовой петли) линии дискретным последовательным кодом. Для осуществления этой связи компьютеры должны иметь последовательные порты типа СОМ-порт, USB-порт или быть объединенными в локальную (проводную или беспроводную) сеть.

Все обмены информацией между компьютерами, между компьютером и датчиками или исполнительными устройствами осуществляются по командам программы, составленной пользователем. Программное обеспечение работы всего автоматизированного комплекса достаточно сложное и является основополагающим для надежного функционирования системы.

1. Идеология последовательного

интерфейса
1.1. Интерфейс COM-порта
COM-порт широко применяется для подключения различных периферийных и коммуникационных устройств, связи с различным технологическим оборудованием, объектами управления и наблюдения, программаторами и прочими устройствами.

COM-порт позволяет подключать внешние ИК-адаптеры (инфракрасный интерфейс IrDA – Infrared Data Association). IrDA-интерфейс в настоящее время применяют в карманных компьютерах и сотовых телефонах. В сотовых телефонах также распространен COM-порт с протоколом RS-232C, позволяющий непосредственно с помощью кабеля соединить телефон и PC. Такое соединение позволяет использовать встроенный в телефон Fax, Modem, GPRS modem, управлять диктофоном, органайзером, телефонной книгой и т.д. COM-порт остался востребованным и для подключения цифровых фотокамер. Программное обеспечение цифровых камер написано таким образом, что операционная система (ОС) компьютера воспринимает устройство, подключенное через COM-порт, как жесткий съемный диск, и позволяет осуществлять двунаправленную передачу данных. Подключение осуществляется без перезагрузки компьютера «на ходу», аналогично шине USB.

В основе последовательного порта передачи данных лежит микросхема Intel 8250. Это универсальный приемопередатчик UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), который можно разделить на приемник (Receiver) и передатчик (Transmitter). В состав UART входят: тактовый генератор связи или бодрейт-генератор (генератор, управляющий скоростью передачи битов посылки), управляющие регистры, статусные регистры, регистры данных, буферы и сдвиговые регистры приемника и передатчика.

Бодрейт-генератор задает тактовую частоту приемопередатчика для обеспечения заданной скорости связи. Управляющие регистры задают режим работы последовательного порта и его прерываний. Статусные регистры хранят флаги по различным событиям, например, байт данных принят, его можно «считать». В регистр данных приемника, а далее в буфер приемника (несколько совместно соединенных регистров данных, имеется не во всех коммуникационных портах) попадает принятый символ, а в регистр данных передатчика или буфер передатчика помещают передаваемый символ. Сдвиговый регистр приемника накапливает принимаемые с линии биты и копирует их в буфер приемника, откуда программа пользователя может отправить код принятого символа в ОЗУ или в файл на жестком диске. Сдвиговый регистр передатчика – регистр, из которого на линию выставляются биты передаваемого символа (1 символ составляет 8 бит, 1 кадр – код 1-го символа + управляющие коды).

UART – микросхема, осуществляющая полнодуплексный последовательный интерфейс, то есть приемник и передатчик могут работать одновременно, независимо друг от друга. За каждым из них закреплен порт – одна ножка (пин или контактор) на разъемах контроллера. Порт приемника обозначают RX (Read), передатчика – TX (Translate). Последовательной установкой уровней, например, +12 В или –12 В, на этих портах относительно общего провода (схемной земли) и передается информация.

Логические уровни передатчика: "0" – от +5 до +15 В, "1" – от –5 до –15 В

Логические уровни приемника: "0" – выше +3 В, "1" – ниже –3 В.

Максимальная нагрузка на передатчик: входное сопротивление приемника более 3 кОм.

Перед началом связи между двумя устройствами необходимо настроить их приемопередатчики на одинаковую скорость связи и формат кадра. Скорость связи, или бодрейт (baudrate), измеряется в бодах – число передаваемых бит в секунду (включая служебные биты). Задается эта скорость в бодрейт-генераторе делением системной частоты на задаваемый коэффициент (обычно 16). Типичный диапазон скоростей: от 2400 до 115 200 бод.

Формат кадра определяет число старт- и стоп-битов, число бит данных (рис. 2). Все это зависит от типа контроллера.


Приемник и передатчик тактируются, как правило, с 16-кратной частотой относительно бодрейта. Это нужно для семплирования сигнала – определения момента считывания данных. Приемник, поймав



Рис. 2. Технология организации

последовательной передачи

нарастающий фронт старт-бита, отсчитывает несколько тактов и следующие три такта считывает (семплирует) порт RX. Это попадает на середину старт-бита (рис. 3). Если большинство значений семплов – «0», старт-бит считается состоявшимся, иначе приемник принимает его за шум. После удачного определения старт-бита, приемник семплирует серединки битов данных, при совпадении семплов считает бит опознанным и записывает его в сдвиговый регистр приемника. Стоп-биты тоже семплируются, и если уровень стоп-бита не «1» – UART определяет ошибку кадра и устанавливает соответствующий флаг в регистре состояния линии. Поскольку бодрейт устанавливается делением системной частоты, при переносе программы на устройство с другим кварцевым резонатором, необходимо изменить соответствующие настройки UART.


Значащие семплы

Рис. 3. Технология определения начала посылки

На физическом уровне (способе технической реализации) последовательный интерфейс имеет разные реализации, различающиеся способом передачи электрических сигналов. Существует ряд родственных стандартов: RS-232C, RS-422A и RS-485. На рис. 4 приведены схемы соединения приемников и передатчиков, а также показаны ограничения на длину линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V).

Несимметричная линия интерфейса RS-232C имеет самую низкую защищенность от синфазной помехи. Лучшие параметры имеет двухточечный интерфейс RS-422A и его магистральный (шинный) аналог RS-485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала (передаваемого и принимаемого) используются дифференциальные сигналы с отдельной (витой) парой проводов. В перечисленных стандартах сигнал представляется потенциалом». Существуют последовательные интерфейсы, где информативен ток, протекающий по общей цепи передатчик-приемник – «токовая петля». Существуют преобразователи сигналов для согласования всех родственных последовательных интерфейсов.







Рис. 4. Стандарты последовательного интерфейса
Несимметричная линия интерфейса RS-232C имеет самую низкую защищенность от синфазной помехи. Лучшие параметры имеет двухточечный интерфейс RS-422A и его магистральный (шинный) аналог RS-485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала (передаваемого и принимаемого) используются дифференциальные сигналы с отдельной (витой) парой проводов. В перечисленных стандартах сигнал представляется потенциалом. Существуют последовательные интерфейсы, где информативен ток, протекающий по общей цепи передатчик-приемник – «токовая петля». В промышленной автоматике широко применяется стандарт RS-485. Существуют преобразователи сигналов для согласования всех родственных последовательных интерфейсов.

1.1.1. Интерфейс RS-485
Интерфейс RS-485 – один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Физический уровень – это канал связи и способ передачи сигнала. Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары – двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A, рис. 5) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) – его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0", и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" – отрицательна. Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал.




Потенциал

линии А
Потенциал

линии В
Потенциал

линии С


Рис. 5. Принцип дифференциальной передачи

Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего (как в RS-232, рис. 6, провод с выхода TX), то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего провода («земли»). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель – дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит.

Приемопередатчик RS-485
Аппаратная реализация интерфейса осуществляется на микросхеме RS-485 приемопередатчика с дифференциальными входами и выходами к линии (к витой паре) и цифровыми выходами к СОМ-портам UART (RS-232) – рис. 6.


Рис. 6. Переход СОМ-порта в интерфейс СОМ-485
Цифровой выход (DO – digital out) приемника сигнала (микросхема RS-485) подключается к порту приемника UART – RX (символ R обозначает «read» или «Reciver»), цифровой вход передатчика (DI – digital input) – к порту передатчика UART – TX (Т – translate). Поскольку на дифференциальной стороне приемник и передатчик передают сигнал по одной и той же физической линии – полудуплексный режим, то во время приема нужно отключать передатчик, а во время передачи – приемник. Для этого служат управляющие входы – разрешение режима приемника (RE) и разрешение режима передатчика (DE). Так как вход DE инверсный, то его можно соединить с RE и переключать приемник и передатчик сигналом с любого порта контроллера: при уровне «0» – работа на прием, при «1» – на передачу. Этот сигнал можно сформировать и на одном из выходов СОМ-порта, так как 9-пиновый разъем имеет входы некоторых бит управляющих регистров.

Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB), переводит их в цифровой сигнал на выходе DO. Чувствительность приемника может быть разной, но гарантированный пороговый диапазон распознавания сигнала ±200 мВ.

То есть, когда UAB > +200 мВ, приемник определяет «1», когда UAB < –200 мВ – приемник определяет «0». Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения, правильное распознавание сигнала не гарантируется. Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) – к другому. Входное сопротивление приемника со стороны линии (RAB) обычно составляет 12 кОм. Так как мощность передатчика не беспредельна, это создает ограничение на количество приемников, подключенных к передатчику.

Согласно спецификации RS-485 c учетом согласующих резисторов передатчик может вести до 32 приемников. Однако есть ряд микросхем с повышенным входным сопротивлением, что позволяет подключить к линии значительно больше устройств.

Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может достигать 10 Мбод. Максимальное расстояние – 1200 м. Если необходимо организовать связь на расстоянии более 1200 м или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика, применяют специальные повторители (репитеры).

Согласование и конфигурация линии связи
Для последовательных интерфейсов важным моментом является согласование и конфигурация линии связи. При больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре и высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. Причина этому – конечная скорости распространения электромагнитных волн в проводниках. Скорость эта существенно меньше скорости света в вакууме и составляет немногим больше 200 мм/нс. Фронт сигнала, отразившийся в конце линии и вернувшийся обратно, может исказить текущий или следующий сигнал. В таких случаях нужно каким-то образом подавлять эффект отражения. Для решения этой проблемы на удаленном конце линии между проводниками витой пары включают резистор с номиналом, равным волновому сопротивлению линии, в этом случае электромагнитная волна дошедшая до «тупика» поглощается в этом резисторе. Отсюда его названия – согласующий резистор, или «терминатор».

Большой минус согласования на резисторах – повышенное потребление тока от передатчика, ведь в линию включается низкоомная нагрузка. Поэтому рекомендуется включать передатчик только на время отправки посылки. Для коротких линий (десятки метров) и низких скоростей (меньше 38 400 бод) согласование можно вообще не делать. Эффект отражения и необходимость правильного согласования накладывают ограничения на конфигурацию линии связи.

Линия связи должна представлять собой один кабель витой пары. К этому кабелю присоединяются все приемники и передатчики. Расстояние от линии до микросхем интерфейса RS-485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения (рис. 7).





Рис. 7. Конфигурация сети на основе интерфейса RS-485
Если в системе только один передатчик и он находится в конце линии, то достаточно одного согласующего резистора на противоположном конце линии. Более подробно о правильных и неправильных конфигурациях сети можно прочитать в статье «Правильная разводка сетей RS-485» (www.gaw.ru RS-485 Maxim's Application Note 373 (январь, 2001 г.)).

Протокол связи
Для реализации связи по сети на основе интерфейса RS-485 разработан протокол связи. Протокол – договоренность между устройствами системы о формате посылок.

По природе интерфейса RS-485 несколько устройств не могут начать передачу одновременно – будет конфликт передатчиков. Следовательно, требуется распределить между устройствами право на передачу. Отсюда основное деление сети, выполненной по интерфейсу RS-485: централизованный (одномастерный) и децентрализованный (многомастерный) обмен данными.

В централизованной сети одно устройство всегда ведущее (мастер). Оно генерирует запросы и команды остальным (ведомым) устройствам. Ведомые устройства могут передавать только по команде ведущего. Как правило, обмен между ведомыми идет только через ведущего, хотя для ускорения обмена можно организовать передачу данных от одного ведомого к другому по команде ведущего.

В децентрализованной сети роль ведущего может передаваться от устройства к устройству либо по некоторому алгоритму очередности, либо по команде текущего ведущего к следующему (передача маркера ведущего). При этом ведомое устройство может в своем ответе ведущему передать запрос на переход в режим ведущего и ожидать разрешения или запрета.

Последовательный канал – передача медленная. На скорости 9600 бод передача одного символа занимает больше миллисекунды. Поэтому, когда ЭВМ плотно загружена вычислениями и не должна их останавливать на время обмена по UART, нужно использовать прерывания по завершении приема и передачи символа. Можно выделить место в памяти для формирования посылки на передачу и сохранения принятой посылки (буфер посылки). Прерывания по завершении приема или передачи символа вызывают соответствующие подпрограммы, которые передают или сохраняют очередной символ со сдвигом указателя и проверкой признака конца сообщения, после чего возвращают управление основной программе до следующего прерывания. По завершении отправки или приема всей посылки либо формируется пользовательский флаг, отрабатываемый в основном цикле программы, либо сразу вызывается подпрограмма обработки сообщения.

В общем случае посылка по последовательному каналу состоит из управляющих байтов (синхронизация посылки, адресов отправителя и получателя, контрольной суммы и пр.) и собственно байтов данных.

Протоколов передач существует множество. Основная задача в организации протокола – заставить все устройства различать управляющие байты и байты данных. К примеру, ведомое устройство, получая по линии поток байтов, должно понимать, где начало посылки, где конец и кому она адресована.

Часто встречаются протоколы на основе ASCII-кода (American Standard Code for Information Interchange – стандартный американский код обмена информацией). Управляющие символы и данные передаются в виде обыкновенных ASCII символов. Например, мы хотим передать символы «RS485» клиенту, код которого 12. Посылка может выглядеть так:

В ASCII виде:
  1   2   3   4   5   6   7

Похожие:

Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт» iconУчебно-методическое пособие для бакалавров по направлению «Юриспруденция» очного и заочного обучения
Судебная реформа Александра II : учеб метод пособие / И. Н. Борисов. – Н. Новгород: Изд-во фгоу впо «вгавт», 2008. – 36 с
Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт» iconУчебно-методическое пособие для бакалавров и специалистов технического вуза Нижний Новгород Издательство фбоу впо «вгавт» 2011 удк 159. 9
Конституция о структуре государственных органов власти в Российской Федерации : учебно-метод пособие / А. В. Тиховодова. – Н. Новгород...
Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт» iconУчебное пособие для студентов заочного обучения всех специальностей Министерство общего и профессионального образования РФ
Столяров Д. Ю., Кортунов В. В. Культурология: Учебное пособие для студентов заочного обучения всех специальностей. М.: Гау им. С....
Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт» iconМетодическое пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Ответственный редактор Ю. С. Федосенко
Редакционная коллегия серии «Информационные технологии в системах управления и телекоммуникаций»
Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт» iconМетодическое пособие по изучению дисциплины и выполнению контрольной работы «Международные стандарты аудита» для студентов очного и заочного обучения по специальности
Задания и методика изучения дисциплины обсуждены, рекомендованы к изданию и внедрению в учебный процесс методической комиссией Забайкальского...
Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт» iconМетодические рекомендации и тексты заданий к расчетно-графической работе для студентов очного и заочного обучения специальностей
Методические рекомендации предназначены для студентов очного и заочного образования инженерного факультета, а также могут быть полезны...
Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт» iconУчебное пособие составлено в соответствии с программой по биохимии для студентов всех факультетов медицинских вузов
Руководство к практическим занятиям по биохимии. Нижний Новгород: издательство Нижегородской государственной медицинской академии,...
Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт» iconМетодические указания по изучению дисциплины Для студентов очного и заочного обучения по направлению подготовки 080100. 62 экономика (квалификация (степень) Бакалавр )
Методические указания предназначены для студентов очного и заочного обучения и предусматривают освоение курса знаний теоретического...
Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт» iconКафедра государственно-правовых дисциплин
Государство и право : краткий словарь терминов и разъяснений по правоведению / С. Н. Кожевников. – Н. Новгород : Изд-во фгоу впо...
Учебное пособие для студентов очного и заочного обучения технических специальностей Нижний Новгород Издательство фгоу впо «вгавт» iconУчебное пособие Рекомендовано методической комиссией механико-математического факультета для студентов ннгу, обучающихся по направлению подготовки 010500 «Прикладная математика и информатика»
С 50 Смирнов Л. В., Данилова Н. В. Основы прикладной аналитической гидромеханики напорного течения несжимаемой жидкости: Учебное...
Разместите кнопку на своём сайте:
kurs.znate.ru


База данных защищена авторским правом ©kurs.znate.ru 2012
обратиться к администрации
kurs.znate.ru
Главная страница