Viene chiamata l'interfaccia di trasferimento dati più veloce. Interfacce di trasferimento dati di base. Cos'è

INTERFACCIA (interfaccia). Un insieme di regole per l'interazione di dispositivi e programmi tra loro o con l'utente e gli strumenti che implementano questa interazione. Il concetto di interfaccia comprende sia l'hardware e il software stesso che collegano diversi dispositivi o programmi tra loro o con l'utente, sia le regole e gli algoritmi sulla base dei quali vengono creati questi strumenti. Per esempio, interfaccia del dispositivo- queste sono le linee di comunicazione tra loro e i dispositivi di interfaccia, il metodo di conversione dei segnali e dei dati trasmessi da dispositivo a dispositivo e le caratteristiche fisiche del canale di comunicazione. Interfaccia software- si tratta di programmi che servono il trasferimento di dati da un'attività all'altra, tipi di dati, un elenco di variabili comuni e aree di memoria e un insieme di procedure o operazioni valide e i relativi parametri. Interfaccia utente con il programma- questi sono i pulsanti, i menu e gli altri controlli visualizzati sullo schermo del terminale, con l'aiuto dei quali l'utente controlla la soluzione del problema, e il terminale stesso e gli operatori previsti nel programma che consentono tale controllo.

Interfaccia utente- in questo capitolo significa comunicazione tra una persona e un computer.

In molte definizioni un'interfaccia viene identificata con un dialogo, che è simile a un dialogo o interazione tra due persone. E proprio come la scienza e la cultura hanno bisogno di regole affinché le persone possano comunicare e interagire tra loro nel dialogo, anche il dialogo uomo-macchina ha bisogno di regole.

Accesso utente generale sono regole che spiegano il dialogo in termini di elementi generali, come regole per presentare informazioni su uno schermo, e regole di tecnologia interattiva, come regole per la risposta di un operatore umano a ciò che viene presentato su uno schermo.

COMPONENTI DI INTERFACCIA

A livello pratico, un'interfaccia è un insieme di tecniche standard per interagire con la tecnologia. A livello teorico, l’interfaccia ha tre componenti principali:

· Un metodo di comunicazione tra una macchina e un operatore umano.

· Un metodo di comunicazione tra un operatore umano e una macchina.

· Metodo di presentazione dell'interfaccia utente.

DALLA MACCHINA ALL'UTENTE

Il modo in cui la macchina comunica con l'utente (linguaggio di rappresentazione) è determinato dall'applicazione della macchina (sistema software applicativo). L'applicazione controlla l'accesso alle informazioni, l'elaborazione delle informazioni e la presentazione delle informazioni in una forma comprensibile all'utente.

UTENTE ALLA MACCHINA

L'utente deve riconoscere le informazioni presentate dal computer, comprenderle (analizzarle) e procedere alla risposta. La risposta è implementata attraverso la tecnologia interattiva, i cui elementi possono essere azioni come selezionare un oggetto utilizzando un tasto o un mouse. Tutto ciò costituisce la seconda parte dell'interfaccia, ovvero il linguaggio d'azione.

COME PENSA L'UTENTE

Questa parte dell'interfaccia è un insieme di percezioni dell'utente sull'applicazione nel suo insieme, chiamata modello concettuale dell'utente.

Gli utenti possono comprendere l'interfaccia della macchina, cosa fa e come utilizzarla. Alcune di queste convinzioni si formano negli utenti attraverso l'esperienza con altre macchine, come dispositivi di stampa, calcolatrici, videogiochi e sistemi informatici. Una buona interfaccia utente trae vantaggio da questa esperienza. Idee più sviluppate si formano dall'esperienza dell'utente con l'interfaccia stessa. L'interfaccia aiuta gli utenti a sviluppare visualizzazioni che possono essere successivamente utilizzate quando si lavora con altre interfacce dell'applicazione.

Sviluppo dell'interfaccia utente: cosa significa?
Il design del sito, la disposizione dei blocchi funzionali, il contenuto e la disposizione dei contenuti sono realizzati in modo tale che l'utente sia spinto a compiere l'azione necessaria: chiamare, scrivere un commento, effettuare un acquisto, ordinare un prodotto, eccetera. Vale la pena comprendere che il comportamento dell'utente non viene modificato o modificato in alcun modo. Il sito stesso è in fase di trasformazione.
Interfaccia utente– l’ordine di disposizione dei blocchi funzionali del sito, facilitando il compimento di determinate azioni da parte dell’utente. Potrebbe trattarsi di una chiamata, dell'acquisto di un prodotto, della scrittura di una recensione. Una valutazione dell’usabilità può fornire lo stesso risultato. Ma questi concetti non vanno confusi: l’usabilità differisce dall’interfaccia utente in quanto è un metodo che permette di valutare la facilità d’uso di un sito e il successo dell’utente nel portare a termine le attività. Mentre il design dell'interfaccia è un prototipo di sito web completamente finito. La progettazione prevede l'utilizzo dei risultati di usabilità. Senza i dati ottenuti applicando questa tecnica, nulla funzionerà.

Alla vista di munizioni utilizzabili
Quanto sono spregevoli tutte le costituzioni.

E con le ferrovie è meglio mantenere il calesse.

K. Prutkov

Nelle lezioni scolastiche precedenti, abbiamo esaminato un esempio di scelta di un metodo per implementare un algoritmo e alcune funzionalità di progettazione di dispositivi di elaborazione del segnale. La lezione di oggi a scuola la dedicheremo alla selezione e all'uso dei protocolli standard e delle interfacce di trasferimento dati utilizzate nelle moderne apparecchiature di elaborazione del segnale.

Quasi tutti gli sviluppatori hanno affrontato il compito di sviluppare dispositivi di scambio dati in un modo o nell'altro. Quando si sceglie un protocollo per un nuovo prodotto, si pone sempre la questione di un compromesso tra la complessità dell'hardware dell'interfaccia ("munizioni") e il protocollo di trasferimento dei dati ("costituzione"). Inoltre, osservando da vicino la nuova interfaccia, non dovremmo dimenticare che molto spesso nei nostri compiti modesti sono sufficienti le capacità del buon vecchio RS232 o RS485, la cui implementazione è anche estremamente economica ed è stata testata molte volte.

Gli ultimi anni, tra le altre delizie, hanno portato allo sviluppatore tutta una serie di nuove interfacce che consentono di trasmettere grandi quantità di informazioni su distanze considerevoli senza interferenze. I moderni FPGA dei principali produttori hanno un'implementazione hardware integrata di interfacce come GTL, LVDS. Tuttavia, quasi tutta la base moderna dei dispositivi di elaborazione del segnale è progettata per funzionare con una tensione di alimentazione non superiore a 3,3 V, il che richiede lo sviluppo di metodi per accoppiare queste interfacce con quelle tradizionali. Allo stesso tempo, non c'è praticamente letteratura su questo tema in russo. Molte aziende hanno pubblicato indicazioni su come utilizzare la proprietà intellettuale per l'implementazione mezzi tecnici interfaccia, ma sfortunatamente non sono sempre disponibili per il lettore russo.

Riso. 1. Aree di applicazione delle interfacce dati

Nella fig. 1 mostra i campi di utilizzo delle diverse interfacce di trasmissione dati in coordinate distanza - velocità di trasmissione.

Come è facile intuire, se si richiede che l'informazione venga trasmessa su una distanza superiore a qualche decina di centimetri, i livelli logici standard risultano insoddisfacenti. I protocolli specializzati vengono in soccorso. Quale dovresti scegliere per il sistema in fase di sviluppo? Quale base di elementi ne consentirà l'implementazione nell'hardware? Quali sono le funzionalità dell'utilizzo di questa interfaccia? A queste domande verrà data risposta in questa lezione scolastica.

Quando si sceglie un protocollo di trasferimento dati, è necessario prestare attenzione a diversi parametri di base. Questi sono la velocità di trasferimento dei dati, la distanza tra la sorgente e il ricevitore dei dati, i livelli di segnale predeterminati, la compatibilità, il tipo di interfaccia (parallela o seriale). Nella tabella 1 è dato una breve descrizione di principali interfacce e informazioni sui principali produttori di circuiti integrati che le supportano. Naturalmente, l'ultima colonna riflette solo una piccola parte delle soluzioni esistenti: nei casi in cui ci sono troppi produttori, la tabella indica modestamente la famiglia IP.

Tabella 1. Interfacce di trasferimento dati

In base al metodo di organizzazione della trasmissione dei dati, si distinguono le interfacce a filo singolo (single-ended) e differenziali (differenziali). Nella fig. La Figura 2 mostra uno schema generalizzato di un'interfaccia a filo singolo La trasmissione dati a filo singolo utilizza una linea di segnale e il suo livello logico è determinato rispetto alla terra. Per semplici interfacce lente è accettabile l'utilizzo terra comune. Nelle interfacce più avanzate, ciascun filo di segnale ha la propria terra ed entrambi i fili sono solitamente combinati in un doppino intrecciato. Il vantaggio dei sistemi a filo singolo è la loro semplicità e il basso costo di implementazione. Poiché ciascuna linea dati richiede un solo cavo di segnale, sono convenienti per la trasmissione di dati paralleli su brevi distanze. Un esempio è la familiare interfaccia della stampante parallela. Un altro esempio è l'interfaccia seriale RS-232. Come possiamo vedere, le interfacce a filo singolo vengono spesso utilizzate nei casi in cui il costo di implementazione è un fattore decisivo.

Riso. 2. Interfaccia a filo singolo

Lo svantaggio principale dei sistemi a filo singolo è la loro bassa immunità al rumore. A causa dell'interferenza sul filo comune, i livelli del segnale potrebbero spostarsi, causando errori. Quando si trasmette su distanze dell'ordine di diversi metri, l'induttanza e la capacità dei fili iniziano a influenzare.

È possibile superare questi svantaggi nei sistemi differenziali. Nella fig. La Figura 3 mostra un diagramma schematico dell'implementazione della trasmissione differenziale dei dati.

Riso. 3. Interfaccia differenziale

La trasmissione dati differenziale bilanciata utilizza una coppia di fili. All'estremità ricevente della linea viene calcolata la differenza tra i segnali. Si noti che questo metodo di trasmissione dei dati è adatto non solo per le linee digitali, ma anche per quelle analogiche. È chiaro che con la trasmissione differenziale è possibile sopprimere in modo significativo le interferenze di modo comune. Ciò implica il vantaggio principale dei protocolli differenziali: elevata immunità al rumore. Non per niente uno dei protocolli più comuni nei computer industriali, RS-485, è costruito utilizzando un circuito differenziale.

Lo svantaggio dei circuiti differenziali è il loro costo relativamente elevato, nonché la difficoltà nell'implementazione di cascate accoppiate di trasmettitori e ricevitori.

Consideriamo i parametri fisici delle interfacce. In letteratura è accettata la seguente designazione di livelli.

• VIH - tensione di ingresso di alto livello (logica);
• VIL - livello basso della tensione di ingresso (zero logico);
• VOH - tensione di uscita di alto livello (logica);
• VOL - tensione di uscita a basso livello (zero logico).

Nella fig. La Figura 4 mostra i livelli logici per le interfacce a filo singolo e la Fig. 5 - per differenziale.

Riso. 4. Livelli di segnale nelle interfacce unifilari

Interfaccia TIA/VIA- 644 (LVDS - Segnalazione differenziale a bassa tensione), utilizzato nei sistemi di trasmissione dati ad alta velocità. L'interfaccia LVDS utilizza la trasmissione dati differenziale con livelli di segnale piuttosto bassi. La differenza di segnale è di 300 mV, le linee sono caricate con una resistenza di 100 Ohm. La corrente di uscita del trasmettitore varia da 2,47 a 4,54 mA. L'interfaccia TIA/EIA - 644 ha caratteristiche di consumo migliori rispetto a TIA/EIA - 422 e può fungere da sostituto in nuovi sviluppi. La velocità massima di trasferimento dati è di 655 Mbit/s. Il vantaggio di questa interfaccia è la continuità dei circuiti integrati del ricetrasmettitore nel cablaggio con i driver delle interfacce RS-422 e RS-485 ben note e utilizzate. Questo approccio consente l'uso di nuove interfacce in schede già sviluppate, facilitando la transizione verso una nuova base di elementi.

Interfaccia LVDS supportano molti FPGA moderni, come APEX di ALTERA, Virtex di Xilinx e molti altri. Tipici rappresentanti dei driver per questa interfaccia sono i circuiti integrati SN65LVDS31/32, SN65LVDS179 di Texas Instruments.

Di proprietà elettriche l'interfaccia è adiacente all'interfaccia LVDS LVDM. Questo protocollo è supportato da SN65LVDM176, SN65LVDM050.

Riso. 5. Livelli di segnale nelle interfacce a due fili

Quando si progettano interfacce a filo singolo, uno dei problemi centrali è l'interfacciamento di diversi dispositivi con backplane o sistemi backplane, soprattutto se sono necessari nodi sostituibili a caldo. Di norma sul backplane vengono adottati livelli di segnale uniformi e il compito dei progettisti delle schede periferiche è quello di selezionare i mezzi di interfaccia corretti. Va notato che nel corso di una lunga storia, i livelli TTL sono diventati lo standard de facto per i backplane e le interfacce interne (o intradipartimentali). Pertanto, con lo sviluppo dei sistemi esistenti e l'utilizzo di nuovi elementi base, nasce l'esigenza di interfacciare le nuove schede con un bus comune. Esiste tutta una serie di soluzioni per questi scopi.

Come è noto, le classiche famiglie di circuiti integrati TTL e CMOS forniscono correnti di carico fino a 24 mA con un'impedenza di linea minima di 50 Ohm. Con l'avvento della tecnologia BiCMOS è stato possibile raggiungere una corrente di uscita di -32/64 mA e funzionare su una linea con impedenza di 25 Ohm. La famiglia di circuiti integrati SN74ABT25xxx è adatta a questi scopi. Questi microcircuiti possono essere utilizzati anche nei cosiddetti sistemi di moduli “hot-swappable”; i moduli rimovibili possono essere collegati o disconnessi durante il funzionamento del dispositivo.

Quando si progettano moduli plug-in, è necessario soddisfare diversi requisiti che, in primo luogo, impediranno la rottura del modulo quando collegato a un sistema funzionante e, in secondo luogo, non porteranno a malfunzionamenti nel sistema. Diamo un'occhiata a loro.

L'interfaccia tra il modulo plug-in e quello principale è costituita da bus di alimentazione, terra e segnale. Il modello del microcircuito collegato al sistema è mostrato in Fig. 6.

Riso. 6. Diodi all'ingresso e all'uscita dell'IC

La protezione degli ingressi e delle uscite dei microcircuiti viene effettuata utilizzando interruttori a diodi.

Per proteggere le uscite vengono utilizzati i diodi D3 e D4. Il diodo D3 viene utilizzato nei circuiti integrati CMOS per la protezione ESD. Il diodo D4 protegge dalla tensione di uscita inferiore al livello zero logico.

Quando si sviluppano moduli plug-in, è meglio utilizzare chip BiCMOS, poiché differiscono favorevolmente dagli altri in quanto hanno un circuito (Fig. 7) che mantiene l'uscita del chip in uno stato di alta impedenza quando il chip è acceso . Questo circuito monitora la tensione di alimentazione ed è costituito da due diodi D1 e D2 e ​​da un transistor Q1, la cui base è alimentata di tensione. Quando la tensione di alimentazione è inferiore a quella impostata (ad esempio, per la serie ABT/BCT VCOFF ~ 2,5 V, per LVT VCOFF ~ 1,8 V), l'uscita di questo circuito si porta nello stato logico. Allo stesso tempo, spegne il segnale all'uscita del microcircuito, indipendentemente dall'ingresso. Questa proprietà dei circuiti integrati BiCMOS garantisce che il comportamento del circuito sia prevedibile anche a tensioni di alimentazione molto basse.

Riso. 7. Circuito che spegne l'uscita quando la tensione di alimentazione è bassa nei chip BiCMOS

Quando un modulo è hot plug, il comportamento del sistema sarà prevedibile se vengono soddisfatte almeno due condizioni:

• il connettore presenta uno o più contatti di terra spinti in avanti rispetto agli altri contatti;
• L'interfaccia è costituita solo da chip bipolari o BiCMOS con uscite tristabili o open-collector.

Il problema della contesa del bus è particolarmente acuto quando si verificano segnali di uscita di livelli diversi, basso e alto. Nella fig. La Figura 8 mostra questo processo. La corrente risultante dal conflitto raggiunge i 120 mA e in questa lotta sopravvive il microcircuito con un basso livello di uscita. Microcircuito con alto livello in uscita funziona in modalità cortocircuito e si brucia.

Riso. 8. Corrente di cortocircuito dovuta a conflitti del bus

Per evitare tale conflitto, è necessaria una circuiteria aggiuntiva per mantenere le uscite in uno stato di alta impedenza durante l'accensione.

L'elemento principale di questo circuito potrebbe essere l'IC TLC7705. Tali microcircuiti vengono utilizzati per generare un segnale RESET all'accensione del dispositivo. Nel nostro caso, i pin di questo microcircuito sono collegati agli ingressi di abilitazione dei driver del bus. Durante l'inizializzazione o l'accensione del modulo, il segnale RESET commuta le uscite dei microcircuiti al terzo stato. Quando si creano tali circuiti, è conveniente utilizzare microcircuiti con due ingressi ENABLE (ad esempio SN74ABT541). Questa soluzione è mostrata in Fig. 9.

Riso. 9. Monitoraggio dei conflitti del bus

Esistono driver del bus che contengono già tutti i componenti necessari per la protezione dai conflitti del bus: interruttori e resistori. Questi chip sono disponibili in due serie: ETL (Enhanced Transceiver Logic, serie SN74ABTE) e BTL (Backplane Transceiver Logic, serie SN74FB).

I chip della serie ETL hanno un pin aggiuntivo per il collegamento della tensione di carica della capacità di uscita del chip, solitamente chiamato VCCBIAS. Alimenta un circuito che carica il condensatore quando il modulo è acceso.

Nella fig. La Figura 10 mostra il diagramma dell'interfaccia utilizzando il chip ETL. All'accensione del modulo, dopo aver collegato i contatti VCC1 e GND, sul chip U3 appare la tensione VCCBIAS. Allo stesso tempo, i microcircuiti U2 e U1 vengono accesi e il segnale OE disconnette le uscite del conducente del bus dal bus.

Riso. 10. Schema di interfaccia utilizzando chip della serie ETL

I picchi di tensione nei circuiti di alimentazione del sistema quando un modulo è collegato appaiono allo stesso modo dei picchi di tensione nei circuiti di segnale. In questo caso, il valore della capacità carica varia da decine a centinaia di microfarad e dipende dalla capacità dei condensatori di blocco sulla scheda collegata. Un modo per limitare i picchi di tensione è includere un interruttore nel circuito di alimentazione che si accenda lentamente. Nella fig. 11 propone un circuito in cui il ruolo di interruttore è svolto da un transistor P-MOS. Il circuito RC fornisce una lenta variazione del segnale alla base del transistor. Il diodo D scarica rapidamente il condensatore dopo che il modulo è stato spento.

Riso. 11. Circuito di commutazione lenta del modulo che utilizza un transistor

Si presuppone che il transistor abbia una bassa resistenza quando è acceso. Durante il funzionamento, la potenza dissipata dal transistor è bassa a causa della piccola caduta di tensione. Se necessario è possibile collegare più transistor in parallelo.

I moduli plug-in utilizzano comodamente i propri alimentatori.

Nella fig. La Figura 12 mostra uno schema di una fonte di alimentazione che riceve da dieci a quaranta volt dal sistema e li converte in modo pulsato in 5 V. Il circuito non produce un picco di tensione quando è acceso.

Riso. 12. Alimentazione decentralizzata

Nella prossima lezione continueremo a considerare le interfacce e le caratteristiche dell'uso dei circuiti integrati logici di nuove famiglie.

Letteratura

1. Steshenko V. B. Scuola di progettazione di circuiti di dispositivi di elaborazione del segnale. // Componenti e tecnologie, n., 2000.
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3. Steshenko V. ALTERA FPGA: progettazione di dispositivi di elaborazione del segnale. M.: “Dodeka”, 2000.
4. Alicke F., Bartholdy F., Blozis S., Dehemelt F., Forstner P., Holland N., Huchzermier J. Confronto di soluzioni di autobus, Rapporto sull'applicazione, Texas Instruments, SLLA067, marzo 2000.
5. Steshenko V. ACCEL EDA: tecnologia del design circuiti stampati. M.: Conoscenza, 2000, 512 pp., ill.

Il crescente volume di implementazione dei più diversi sistemi di automazione in tutti i settori industriali richiede l’elaborazione di una quantità sempre maggiore di informazioni. Le “arterie principali” sono i cavi trasmissione seriale dati utilizzati per controllare processi complessi e trasmettere i risultati delle misurazioni dei parametri di processo.

Sono ampiamente utilizzati vari tipi di interfacce seriali, che garantiscono una trasmissione dati ad alta velocità senza rumore in ambienti pesanti condizioni industriali.

RS-232 (V.24)

Una delle interfacce seriali più comuni è definita negli standard TIA-232 e CCITT V.24.

L'interfaccia realizza lo scambio dati tra due dispositivi (connessione punto a punto) in modalità duplex a una distanza massima di 15 m.

La configurazione più semplice richiede tre fili: TxD (trasmissione dati), RxD (ricezione dati) e GND (filo segnale comune). In questo caso, il controllo del trasferimento dei dati viene effettuato con il cosiddetto handshake software. Per la trasmissione con l'handshake software esistono linee aggiuntive utilizzate per la trasmissione di segnali di controllo, segnali di clock e anche per la segnalazione.

Le interfacce dei dispositivi possono essere progettate come apparecchiature di comunicazione dati (DCE) o come apparecchiature terminali dati (DTE). Una caratteristica distintiva è la diversa direzione di trasmissione sulle linee con la stessa designazione e scopo dei terminali. Esempio: un dispositivo DTE trasmette tramite una connessione TxD (trasmissione dati), mentre un dispositivo DCE riceve dati tramite la stessa connessione. Questa soluzione consente una semplice comunicazione diretta tra due dispositivi. Quando si collegano dispositivi dello stesso tipo, tutte le linee di collegamento devono essere incrociate.

I livelli del segnale di entrambe le linee dati sono definiti come segue:

• da -3 a -15 per il valore logico "I"
• da +3 a +15 per il valore logico "0"

Nelle linee di trasmissione dei segnali di comando e di allarme la logica di funzionamento è invece invertita (log. “I” = potenziale positivo). La velocità massima di trasferimento dati è 115,2 kbit/s. In condizioni industriali, in questo caso si consiglia di ridurre la distanza di trasmissione a 5 m.

TTY

L'interfaccia TTY del loop attuale è stata utilizzata per la prima volta nella telegrafia. Al giorno d'oggi può ancora essere trovato nei (PLC) e nelle stampanti. Sia per la trasmissione che per la ricezione dei dati è necessaria una coppia di linee e le linee devono essere intrecciate a coppie. La trasmissione dei dati avviene in modalità duplex con handshake software. Non sono previste linee di trasmissione del segnale di controllo. Un valore di corrente di 20 mA nel circuito corrisponde allo stato logico "I". Se il circuito di corrente è interrotto, questo viene percepito come uno stato logico "0". Ogni circuito richiede una sorgente di generazione di corrente, che può essere collegata sia sul lato trasmittente che su quello ricevente. Il lato che genera la corrente è considerato “attivo”, mentre il lato “passivo” è sempre opposto a quello attivo. Sono disponibili tre configurazioni di interfaccia:

1. TTY completamente attivo si interfaccia con le fonti di corrente sia nel ramo trasmettitore che in quello ricevitore.
2. Interfacce TTY passive senza corrispondenti fonti di corrente regolate.
3. Interfacce TTY semiattive con sorgente di corrente solo sul lato di trasmissione (TD).

Il ricevitore (RD) è passivo. Ogni circuito di corrente può funzionare solo con una sorgente di corrente. Sono consentite solo le combinazioni completamente attivo/passivo e semi-attivo/semi-attivo. Tale trasmissione dati può essere realizzata su distanze fino a 1000 m. La velocità di trasmissione massima è 19200 bps.

RS-422

I requisiti delle macchine intelligenti per una trasmissione dati veloce e potente sono descritti dallo standard RS-422. La trasmissione seriale dei dati tra due dispositivi avviene in modalità full duplex a velocità fino a 10 Mbit/s su distanze fino a 1200 m.

I livelli elettrici nelle linee dati sono definiti come segue:

• Da -0,3 a -6 per la logica "I"
• da +0,3 a +6 per lo “0” logico.

Lo stato del segnale è caratterizzato dalla differenza di tensione tra i punti di misurazione (A) e (B). Se la tensione al punto (A) rispetto alla tensione al punto (B): - Negativa, allora la linea dati è log. I, linea di controllo - log.0, (UA-UB-0.3 B).

Le resistenze di carico terminate (100...200 Ohm) sugli ingressi del ricevitore non solo impediscono riflessioni nella linea di trasmissione, ma aumentano ulteriormente l'affidabilità della trasmissione grazie ad una corrente risultante chiaramente definita.

RS-485 W2

Questo tipo di interfaccia seriale non solo offre le stesse elevate prestazioni di RS-422, ma consente anche connessioni multidrop fino a 32 dispositivi finali. I livelli elettrici e i loro valori logici associati sono identici a quelli definiti dallo standard RS-422. Tuttavia, a causa dello schema di collegamento a 2 fili, la trasmissione dei dati può essere effettuata solo in modalità half-duplex, il che significa che la trasmissione e la ricezione dei dati vengono eseguite alternativamente e devono essere controllate dal programma appropriato. Il corrispondente protocollo implementato tramite software deve, contrariamente alla pura comunicazione punto a punto, offrire la possibilità di indirizzare ciascun dispositivo finale collegato tramite uno schema multipunto tramite indirizzo, nonché identificare questo dispositivo. In qualsiasi momento, solo un dispositivo terminale può trasmettere dati; tutti gli altri devono essere in modalità “ascolto” in quel momento. Il cavo bus a due fili può avere una lunghezza massima di 1200 m e ad entrambe le estremità devono essere collegate resistenze di terminazione (100...200 Ohm). I singoli terminali possono essere rimossi dal bus tramite prese fino a 5 m. Se si utilizzano cavi intrecciati e schermati a coppie, la velocità di trasferimento dati massima è di 10 Mbit/s. Lo standard RS-485 definisce solo Proprietà fisiche interfaccia. Pertanto la compatibilità reciproca delle interfacce RS-485 non è necessariamente garantita. Parametri come velocità di trasmissione, formato dati e codifica sono determinati da standard di sistema, come INTERBUS, Profibus, MODBUS, ecc.

RS-485 W4

Lo standard RS-485 con circuito a 4 fili consente, a differenza dello standard RS-485 con circuito a 2 fili, la comunicazione attraverso il bus in modalità duplex. Un esempio di ciò è il DIN Messbus. A differenza della tecnologia a 2 fili, in questo caso i rami di trasmissione del ricevitore sono separati tra loro e possono quindi funzionare contemporaneamente. Nei sistemi bus di misura vengono preferibilmente utilizzate topologie basate sul principio master/slave, nei quali il master trasmette i dati in modalità di ascolto fino a 32 slave. I rami di trasmissione slave possono trovarsi in un terzo stato discreto (tri-state), in cui viene mantenuta la loro alta impedenza. Solo la stazione di misura che riceve la richiesta collega attivamente il proprio trasmettitore al bus. I livelli elettrici e i loro valori logici corrispondono, come in tutte le altre interfacce di tipo RS-485, allo standard RS-422. La velocità di trasferimento massima è di 10 Mbit/s. Il cavo bus deve avere resistenze terminali, i suoi conduttori devono essere intrecciati a coppie e schermati.

Modem

La normale rete telefonica consente la trasmissione solo di segnali analogici nella gamma di frequenza da 300 Hz a 3,4 kHz. Pertanto, per trasmettere segnali digitali dalle interfacce seriali attraverso la rete telefonica, è necessaria una conversione preliminare. Ciò richiede un dispositivo che converta il flusso di dati digitali in oscillazioni di segnali analogici e queste oscillazioni vengano poi riconvertite in un flusso di dati digitali. Questi processi sono chiamati modulazione e demodulazione e il dispositivo che li esegue è chiamato modem. Il processo di formazione di una connessione remota corrisponde a standard internazionali. In questo caso la frequenza portante serve per sincronizzare entrambi i modem. Utilizzando la rete telefonica pubblica è quindi possibile realizzare un canale tra apparecchi situati in qualsiasi parte del mondo. Ma anche utilizzando una linea dedicata, le distanze di 20 km non sono un problema.

Sebbene siano necessari solo due cavi, la trasmissione dei dati avviene molto spesso in modalità full duplex.

La prestazione massima della linea analogica è di 33,6 kbit/s.

La trasmissione secondo lo standard V.90 alla velocità di 56 kbit/s è possibile solo dal server Internet al modem. Nella direzione opposta, cioè dal modem V.90 al modem V.90 la velocità di trasferimento è al massimo di 33,6 kbps.

INTERBUS

INTERBUS è un sistema ad anello. Le linee di trasmissione e ricezione sono combinate in un unico cavo, per questo motivo INTERBUS viene percepito come una struttura ad albero con le linee rappresentate da diramazioni del cavo principale. Questi rami sono collegati al bus remoto tramite moduli terminali del bus di ramo. Le connessioni tra i terminali del bus remoti sono connessioni punto-punto attive, il livello fisico segue lo standard RS-422. In questo caso, i dati utili vengono trasmessi come segnali differenziali su coppie intrecciate di fili doppi (4 fili) in modalità duplex. La velocità di trasferimento dati è di 500 kbps o 2 Mbps. Possibile lunghezza totale linee di comunicazione fino a 12,8 km, mentre il sistema può comprendere un massimo di 255 segmenti lunghi fino a 400 m ciascuno.

Non è necessario l'uso di ripetitori e terminali di resistenza terminale alla fine della linea, poiché l'anello viene chiuso automaticamente sull'ultimo dispositivo sul bus remoto.

PROFIBUS

Il bus Profibus è definito dalle norme IEC 61158 e IEC 61784 e tecnicamente si basa su un sistema RS-485 a 2 fili con trasmissione dati half-duplex. Il sistema Profibus è costruito come una struttura puramente lineare con la possibilità di collegare fino a 32 dispositivi terminali, la lunghezza massima di un segmento di bus è di 1200 m. Per garantire un funzionamento silenzioso del bus, in particolare solo con velocità di trasmissione dati elevate per il bus Profibus devono essere utilizzati i tipi di cavi bus appositamente progettati. Il collegamento tra i dispositivi terminali del sistema Profibus avviene tramite la posa di un cavo bus a due conduttori con conduttori intrecciati. Se è necessario collegare più dispositivi finali a una rete, la macchina o l'impianto industriale deve essere segmentato. I singoli segmenti scambiano dati tra loro tramite ripetitori, che forniscono amplificazione e potenziale separazione dei segnali trasportati informazioni utili. Ogni ripetitore estende il sistema di un segmento aggiuntivo con 32 endpoint e tutta la lunghezza del cavo, per un massimo di 127 endpoint. La velocità di trasmissione nei sistemi Profibus può essere configurata nell'intervallo da 9,6 kbit/s a 12 Mbit/s. Il valore della velocità influisce sulla lunghezza consentita dei segmenti bus e dei rami passivi (tabella). Per garantire una trasmissione dati affidabile, ciascun segmento del bus Profibus su un cavo in rame deve iniziare e terminare con una resistenza terminale.

CANopen/Rete dispositivi

Il protocollo Controller Area Network (CAN) è stato originariamente sviluppato per collegare in rete l'elettronica automobilistica. Estendendo il protocollo sono stati ottenuti i sistemi CANopen e Device Net per applicazioni fieldbus industriali.

Tutti i dispositivi bus terminal sono collegati linearmente con un cavo a tre conduttori con resistenze corrispondenti all'inizio e alla fine.

I terminali ascoltano lo scambio di dati sul bus e, dopo aver atteso una pausa, iniziano a trasmettere i pacchetti di dati. Spesso più dispositivi finali identificano il bus come inattivo e iniziano a trasmettere i dati contemporaneamente. Poiché diversi pacchetti di dati potrebbero interferire tra loro, viene fornito l'arbitraggio bit a bit per prevenire la perdita di dati. Questo meccanismo è chiamato Accesso multiplo con rilevamento della portante con prevenzione delle collisioni (abbreviato CSMA/CA - accesso multiplo con controllo della portante ed evitamento delle collisioni).

I terminali confrontano i livelli del segnale sul bus con i livelli dei segnali che trasmettono. Questi livelli possono essere dominanti (livello 0) o recessivi (livello I). Non appena sul proprio modello di bit viene scritto un livello dominante, ciò significa che l'altro dispositivo terminale è entrato nella modalità di trasmissione. Il trasmettitore che risulta recessivo interrompe immediatamente la trasmissione e tenterà di trasmettere nuovamente il pacchetto dati durante la pausa successiva. Nella distribuzione degli indirizzi, i messaggi e quindi le richieste di accesso al bus possono essere prioritari in base al numero di bit dominanti.

Il tempo di propagazione del segnale limita la lunghezza massima della rete raggiungibile in base alla velocità di trasmissione, poiché il metodo CSMA/CA funziona solo in una finestra temporale limitata. Questo deve essere preso in considerazione durante la progettazione.

Ethernet

Ethernet è descritta nello standard IEE 802 ed è stata originariamente sviluppata per la comunicazione tra dispositivi da ufficio (computer, stampanti, ecc.). In questo caso è stata adottata una topologia lineare ed è stato utilizzato un cavo coassiale. Attualmente le reti sono realizzate esclusivamente con una topologia a stella decentralizzata basata su doppini intrecciati o cavi in ​​fibra ottica. Allo stesso tempo, nelle reti industriali la velocità di trasferimento dati è di 10 o 100 Mbit/s. La struttura della rete può essere adattata alle esigenze di ogni singolo caso organizzando cascate mediante star splitter (hub, switch, router).

Se per la distribuzione dei dati vengono utilizzati hub, il sistema deve funzionare in modalità half-duplex. In questo caso lo scambio dati è assicurato dal meccanismo Carrier Sense Multiple Access with Collision Evitarement (CSMA/CA - accesso multiplo con controllo del vettore e prevenzione delle collisioni). In questo caso i dispositivi terminali ascoltano il canale di scambio di informazioni sulla rete e iniziano la trasmissione dei dati solo dopo che le altre trasmissioni sono state sospese. Il pacchetto viene inviato a ciascun dispositivo finale della rete. I dispositivi terminali confrontano l'indirizzo del destinatario contenuto nel pacchetto inviato con il proprio indirizzo e accettano il pacchetto solo se gli indirizzi coincidono. Spesso più dispositivi finali identificano il bus come inattivo e iniziano a trasmettere i dati contemporaneamente. Di conseguenza, i pacchetti di dati si distruggono a vicenda. In questo caso si parla di collisione. L'endpoint attivo che rileva per primo una collisione richiede immediatamente che tutti gli endpoint interrompano lentamente la trasmissione dei dati. Per garantire che i pacchetti di dati non vadano persi e possano essere inviati nuovamente, i trasmettitori devono ricevere un messaggio di handshake prima che venga inviato l'ultimo bit del messaggio.

I limiti temporali del messaggio di handshake in caso di collisione influiscono direttamente sulla lunghezza massima della rete. Il cosiddetto dominio di collisione è limitato all'adattatore di rete, al router o allo switch. Questa segmentazione della rete elimina le limitazioni di una rete basata su hub, consentendo una maggiore copertura di rete e uno scambio di dati ottimizzato.

Idealmente, ciascun endpoint è connesso a una porta dello switch, assegnandogli il proprio dominio di collisione. Le prestazioni della rete migliorano perché le collisioni vengono eliminate, il meccanismo CSMA/CD può essere disabilitato e la rete può funzionare in modalità full duplex su una larghezza di banda doppia.

Durante l'installazione, tenere conto del tipo di dispositivo utilizzato. A seconda delle interfacce DTE/DCE, nel caso dei dispositivi RS-232 esistono dispositivi Ethernet con interfacce MDI o MDIx. I dispositivi dello stesso tipo devono essere sempre collegati con cavi di collegamento e dispositivi incrociati vari tipi cavi con cablaggio 1:1.

Utilizzando la commutazione interna che collega più dispositivi, è possibile commutare l'interfaccia manualmente o automaticamente (funzione di negoziazione automatica) direttamente nel luogo di installazione. Grazie a questo in tutti i casi è possibile collegarsi con un cavo con cablaggio 1:1.

Un altro meccanismo automatico è la funzione di autonegoziazione della velocità e della modalità operativa, grazie alla quale i dispositivi selezionano per tutti la stessa velocità e modalità di trasmissione (half-duplex o full-duplex).

IN mondo moderno tecnologie digitali, la loro struttura si basa sul trasferimento di informazioni tra nodi e oggetti di una determinata rete. L'affidabilità dei protocolli e dei metodi utilizzati dipende da come viene implementata la tecnologia. Questa è la responsabilità in particolare delle interfacce dati.

Cos'è?

Come risulta dalla definizione ufficiale, un'interfaccia di trasferimento dati è un certo confine tra due oggetti o nodi, che sono regolati da uno speciale standard accettato e implementati utilizzando metodi, strumenti e regole stabiliti.

A proposito di in un linguaggio semplice, questa è una sorta di adattatore tra i nodi che sa come trasmettere i dati, cosa usare e cosa aspettarsi in risposta.

Principali tipologie di interfacce di trasferimento dati

Ogni utente di computer ha riscontrato una delle varietà. Trasmissione dati Ethernet. Il suo scopo originale è la comunicazione tra i dispositivi dell'ufficio. Per realizzare i primi collegamenti è stata utilizzata una topologia lineare, oltre ad un semplice cavo coassiale. Oggi questo approccio è superato. E ora la base delle reti è la topologia “a stella”, implementata e divisa in parti da router e switch. Nelle reti industriali, le informazioni possono essere inviate tramite l'interfaccia dati Ethernet a velocità di 10, 100 Mbit/s e meno spesso 1 Gbit/s. Tali prestazioni sono garantite da un mezzo di trasmissione come il doppino intrecciato o la fibra ottica.

Una delle caratteristiche dell'interfaccia è la presenza di un indirizzo MAC obbligatorio, che è “cucito” nell'hardware dell'apparecchiatura. Con il suo aiuto, viene riconosciuto il nodo che ha inviato e ricevuto i dati. In sostanza, ogni indirizzo deve essere univoco. Per fare ciò, gli sviluppatori di dispositivi condividono tra loro un insieme comune di valori. Ai tre byte più significativi dell'indirizzo MAC viene assegnato il produttore.

Vale la pena notare che quando si registra un MAC, ciò avviene solo una volta quando l'apparecchiatura di rete viene inizializzata. L'ulteriore memorizzazione ricade sulle spalle del sistema operativo. Ciò significa che l'indirizzo può essere modificato in qualsiasi momento.

USB

Un'altra interfaccia dati seriale comune è l'Universal Serial Bus. Quasi tutti i dispositivi moderni sono dotati dell'una o dell'altra versione, sia essa micro o mini.

Il suo caratteristica principaleè l'uso della tecnologia Plug and Play. Ciò significa che qualsiasi dispositivo USB può essere collegato e iniziare a funzionare, nella maggior parte dei casi evitando la necessità di installare driver diversi.

Particolarmente importante è anche la riduzione di molti connettori e standard diversi in un'unica forma generale. Ora puoi collegare joystick, mouse, tastiere, dischi rigidi, stampanti e molte altre apparecchiature al tuo computer utilizzando un connettore universale.

Vale la pena notare un altro vantaggio dell'USB: l'alimentazione su uno dei contatti. Ciò ha permesso di collegare dischi rigidi esterni e dispositivi simili.

HDMI

Questa è anche un'interfaccia di trasferimento dati che consente di trasferire dati multimediali. A differenza del VGA obsoleto, può funzionare non solo con il video, ma anche con l'audio. Questo standard ha un rendimento elevato. Pertanto, viene utilizzato per la trasmissione di video ad alta definizione. A proposito, l'abbreviazione HDMI sta per High Definition Multimedia Interface. Cosa significa l'interfaccia per i contenuti multimediali ad alta definizione?

IrDA

L'articolo non sarebbe completo senza una descrizione delle interfacce di trasferimento dati che consentono ciò in modalità wireless. E IrDA è probabilmente il pioniere tra questi.

Potrebbe essere moralmente e tecnicamente obsoleto, ma si trova ancora su una varietà di dispositivi arcaici. Il suo compito è collegare due dispositivi IrDA utilizzando la radiazione infrarossa. Le limitazioni della norma non ne consentono l'utilizzo su lunghe distanze. Pertanto, per trasferire dati, ad esempio, tra due telefoni, era necessario tenerli vicini l'uno all'altro. La velocità di trasmissione era molto bassa e variava da 2400 a 115.200 bps.

Bluetooth

Il Bluetooth ha sostituito la porta a infrarossi e viene utilizzato attivamente in molti dispositivi per creare comunicazioni tra loro. Questi sono mouse per computer, telefoni, laptop e molti altri dispositivi.

Il raggio operativo dell'interfaccia è ufficialmente dichiarato di 100 metri. Tuttavia, in pratica, la presenza di rumore e di vari ostacoli sotto forma di muri riduce la distanza a circa 10 metri. La velocità media di trasferimento dati tramite l'interfaccia Bluetooth non è superiore a 3 Mbit/s.

Wifi

Probabilmente non esiste persona che non abbia sentito parlare di questa interfaccia di trasferimento dati, che consente di trasferire informazioni ad alta velocità e su distanze convenienti.

Il vantaggio principale dello standard è la connessione wireless. E questo rappresenta un risparmio significativo sia in termini di spazio che di denaro speso per cavi e infrastrutture.

L’ubiquità del Wi-Fi ha fatto sì che ora anche le lampadine ne siano dotate. Cioè, l'interfaccia è diventata una delle più popolari. Tutti lo affrontano quando acquistano un nuovo dispositivo, che si tratti di una TV, di uno smartphone o di un laptop.

Le specifiche Wi-Fi sono in costante miglioramento. Teoricamente, in condizioni ideali, può trasmettere dati a velocità fino a 7 Gbps. La media dei comuni elettrodomestici varia da 450 a 1300 Mbit/s utilizzando più antenne.

Contro del Wi-Fi

Nonostante molti vantaggi, l’interfaccia presenta anche degli svantaggi. Ad esempio, la maggior parte dei dispositivi è in grado di funzionare a 2,4 GHz. Tuttavia, anche molti prodotti e alcuni elettrodomestici dispongono di questo indicatore. E ciò influisce in modo significativo sulla qualità della trasmissione dei dati, che a sua volta influisce sulla velocità. Tuttavia, negli ultimi modelli di dispositivi, questo problema è già stato risolto aggiungendo un'ulteriore frequenza operativa di 5 GHz.

In Russia ci sono piccoli problemi con l'installazione di adattatori Wi-Fi la cui radiazione elettromagnetica supera i 100 mW, poiché devono essere registrati.

Quasi tutti gli sviluppatori hanno affrontato il compito di sviluppare dispositivi di scambio dati in un modo o nell'altro. Quando si sceglie un protocollo per un nuovo prodotto, si pone sempre la questione di un compromesso tra la complessità dell'hardware dell'interfaccia ("munizioni") e il protocollo di trasferimento dei dati ("costituzione"). Inoltre, osservando da vicino la nuova interfaccia, non dovremmo dimenticare che molto spesso nei nostri compiti modesti sono sufficienti le capacità del buon vecchio RS232 o RS485, la cui implementazione è anche estremamente economica ed è stata testata molte volte.

Gli ultimi anni, tra le altre delizie, hanno portato allo sviluppatore tutta una serie di nuove interfacce che consentono di trasmettere grandi quantità di informazioni su distanze considerevoli senza interferenze. I moderni FPGA dei principali produttori hanno un'implementazione hardware integrata di interfacce come GTL, LVDS. Tuttavia, quasi tutta la base moderna dei dispositivi di elaborazione del segnale è progettata per funzionare con una tensione di alimentazione non superiore a 3,3 V, il che richiede lo sviluppo di metodi per accoppiare queste interfacce con quelle tradizionali. Allo stesso tempo, non c'è praticamente letteratura su questo tema in russo. Molte aziende hanno pubblicato manuali sull'uso dell'IP per l'implementazione dei mezzi tecnici dell'interfaccia, ma sfortunatamente non sono sempre disponibili per il lettore russo.

Riso. 1. Aree di applicazione delle interfacce dati

Nella fig. 1 mostra i campi di utilizzo delle diverse interfacce di trasmissione dati in coordinate distanza - velocità di trasmissione.

Come è facile intuire, se si richiede che l'informazione venga trasmessa su una distanza superiore a qualche decina di centimetri, i livelli logici standard risultano insoddisfacenti. I protocolli specializzati vengono in soccorso. Quale dovresti scegliere per il sistema in fase di sviluppo? Quale base di elementi ne consentirà l'implementazione nell'hardware? Quali sono le funzionalità dell'utilizzo di questa interfaccia? A queste domande verrà data risposta in questa lezione scolastica.

Quando si sceglie un protocollo di trasferimento dati, è necessario prestare attenzione a diversi parametri di base. Questi sono la velocità di trasferimento dei dati, la distanza tra la sorgente e il ricevitore dei dati, i livelli di segnale predeterminati, la compatibilità, il tipo di interfaccia (parallela o seriale). Nella tabella 1 fornisce una breve descrizione delle principali interfacce e informazioni sui principali produttori di circuiti integrati che le supportano. Naturalmente, l'ultima colonna riflette solo una piccola parte delle soluzioni esistenti: nei casi in cui ci sono troppi produttori, la tabella indica modestamente la famiglia IP.

Tabella 1. Interfacce di trasferimento dati

In base al metodo di organizzazione della trasmissione dei dati, si distinguono le interfacce a filo singolo (single-ended) e differenziali (differenziali). Nella fig. La Figura 2 mostra uno schema generalizzato di un'interfaccia a filo singolo La trasmissione dati a filo singolo utilizza una linea di segnale e il suo livello logico è determinato rispetto alla terra. Per semplici interfacce lente è possibile utilizzare una terra condivisa. Nelle interfacce più avanzate, ciascun filo di segnale ha la propria terra ed entrambi i fili sono solitamente combinati in un doppino intrecciato. Il vantaggio dei sistemi a filo singolo è la loro semplicità e il basso costo di implementazione. Poiché ciascuna linea dati richiede un solo cavo di segnale, sono convenienti per la trasmissione di dati paralleli su brevi distanze. Un esempio è la familiare interfaccia della stampante parallela. Un altro esempio è l'interfaccia seriale RS-232. Come possiamo vedere, le interfacce a filo singolo vengono spesso utilizzate nei casi in cui il costo di implementazione è un fattore decisivo.

Riso. 2. Interfaccia a filo singolo

Lo svantaggio principale dei sistemi a filo singolo è la loro bassa immunità al rumore. A causa dell'interferenza sul filo comune, i livelli del segnale potrebbero spostarsi, causando errori. Quando si trasmette su distanze dell'ordine di diversi metri, l'induttanza e la capacità dei fili iniziano a influenzare.

È possibile superare questi svantaggi nei sistemi differenziali. Nella fig. La Figura 3 mostra un diagramma schematico dell'implementazione della trasmissione differenziale dei dati.

Riso. 3. Interfaccia differenziale

La trasmissione dati differenziale bilanciata utilizza una coppia di fili. All'estremità ricevente della linea viene calcolata la differenza tra i segnali. Si noti che questo metodo di trasmissione dei dati è adatto non solo per le linee digitali, ma anche per quelle analogiche. È chiaro che con la trasmissione differenziale è possibile sopprimere in modo significativo le interferenze di modo comune. Ciò implica il vantaggio principale dei protocolli differenziali: elevata immunità al rumore. Non per niente uno dei protocolli più comuni nei computer industriali, RS-485, è costruito utilizzando un circuito differenziale.

Lo svantaggio dei circuiti differenziali è il loro costo relativamente elevato, nonché la difficoltà nell'implementazione di cascate accoppiate di trasmettitori e ricevitori.

Consideriamo i parametri fisici delle interfacce. In letteratura è accettata la seguente designazione di livelli.

• VIH - tensione di ingresso di alto livello (logica);
• VIL - livello basso della tensione di ingresso (zero logico);
• VOH - tensione di uscita di alto livello (logica);
• VOL - tensione di uscita a basso livello (zero logico).

Nella fig. La Figura 4 mostra i livelli logici per le interfacce a filo singolo e la Fig. 5 - per differenziale.

Riso. 4. Livelli di segnale nelle interfacce unifilari

Interfaccia TIA/VIA- 644 (LVDS - Segnalazione differenziale a bassa tensione), utilizzato nei sistemi di trasmissione dati ad alta velocità. L'interfaccia LVDS utilizza la trasmissione dati differenziale con livelli di segnale piuttosto bassi. La differenza di segnale è di 300 mV, le linee sono caricate con una resistenza di 100 Ohm. La corrente di uscita del trasmettitore varia da 2,47 a 4,54 mA. L'interfaccia TIA/EIA - 644 ha caratteristiche di consumo migliori rispetto a TIA/EIA - 422 e può fungere da sostituto in nuovi sviluppi. La velocità massima di trasferimento dati è di 655 Mbit/s. Il vantaggio di questa interfaccia è la continuità dei circuiti integrati del ricetrasmettitore nel cablaggio con i driver delle interfacce RS-422 e RS-485 ben note e utilizzate. Questo approccio consente l'uso di nuove interfacce in schede già sviluppate, facilitando la transizione verso una nuova base di elementi.

Interfaccia LVDS supportano molti FPGA moderni, come APEX di ALTERA, Virtex di Xilinx e molti altri. Tipici rappresentanti dei driver per questa interfaccia sono i circuiti integrati SN65LVDS31/32, SN65LVDS179 di Texas Instruments.

Secondo le proprietà elettriche, l'interfaccia LVDS è adiacente a LVDM. Questo protocollo è supportato da SN65LVDM176, SN65LVDM050.

Riso. 5. Livelli di segnale nelle interfacce a due fili

Quando si progettano interfacce a filo singolo, uno dei problemi centrali è l'interfacciamento di diversi dispositivi con backplane o sistemi backplane, soprattutto se sono necessari nodi sostituibili a caldo. Di norma sul backplane vengono adottati livelli di segnale uniformi e il compito dei progettisti delle schede periferiche è quello di selezionare i mezzi di interfaccia corretti. Va notato che nel corso di una lunga storia, i livelli TTL sono diventati lo standard de facto per i backplane e le interfacce interne (o intradipartimentali). Pertanto, con lo sviluppo dei sistemi esistenti e l'utilizzo di nuovi elementi base, nasce l'esigenza di interfacciare le nuove schede con un bus comune. Esiste tutta una serie di soluzioni per questi scopi.

Come è noto, le classiche famiglie di circuiti integrati TTL e CMOS forniscono correnti di carico fino a 24 mA con un'impedenza di linea minima di 50 Ohm. Con l'avvento della tecnologia BiCMOS è stato possibile raggiungere una corrente di uscita di -32/64 mA e funzionare su una linea con impedenza di 25 Ohm. La famiglia di circuiti integrati SN74ABT25xxx è adatta a questi scopi. Questi microcircuiti possono essere utilizzati anche nei cosiddetti sistemi di moduli “hot-swappable”; i moduli rimovibili possono essere collegati o disconnessi durante il funzionamento del dispositivo.

Quando si progettano moduli plug-in, è necessario soddisfare diversi requisiti che, in primo luogo, impediranno la rottura del modulo quando collegato a un sistema funzionante e, in secondo luogo, non porteranno a malfunzionamenti nel sistema. Diamo un'occhiata a loro.

L'interfaccia tra il modulo plug-in e quello principale è costituita da bus di alimentazione, terra e segnale. Il modello del microcircuito collegato al sistema è mostrato in Fig. 6.

Riso. 6. Diodi all'ingresso e all'uscita dell'IC

La protezione degli ingressi e delle uscite dei microcircuiti viene effettuata utilizzando interruttori a diodi.

Per proteggere le uscite vengono utilizzati i diodi D3 e D4. Il diodo D3 viene utilizzato nei circuiti integrati CMOS per la protezione ESD. Il diodo D4 protegge dalla tensione di uscita inferiore al livello zero logico.

Quando si sviluppano moduli plug-in, è meglio utilizzare chip BiCMOS, poiché differiscono favorevolmente dagli altri in quanto hanno un circuito (Fig. 7) che mantiene l'uscita del chip in uno stato di alta impedenza quando il chip è acceso . Questo circuito monitora la tensione di alimentazione ed è costituito da due diodi D1 e D2 e ​​da un transistor Q1, la cui base è alimentata di tensione. Quando la tensione di alimentazione è inferiore a quella impostata (ad esempio, per la serie ABT/BCT VCOFF ~ 2,5 V, per LVT VCOFF ~ 1,8 V), l'uscita di questo circuito si porta nello stato logico. Allo stesso tempo, spegne il segnale all'uscita del microcircuito, indipendentemente dall'ingresso. Questa proprietà dei circuiti integrati BiCMOS garantisce che il comportamento del circuito sia prevedibile anche a tensioni di alimentazione molto basse.

Riso. 7. Circuito che spegne l'uscita quando la tensione di alimentazione è bassa nei chip BiCMOS

Quando un modulo è hot plug, il comportamento del sistema sarà prevedibile se vengono soddisfatte almeno due condizioni:

• il connettore presenta uno o più contatti di terra spinti in avanti rispetto agli altri contatti;
• L'interfaccia è costituita solo da chip bipolari o BiCMOS con uscite tristabili o open-collector.

Il problema della contesa del bus è particolarmente acuto quando si verificano segnali di uscita di livelli diversi, basso e alto. Nella fig. La Figura 8 mostra questo processo. La corrente risultante dal conflitto raggiunge i 120 mA e in questa lotta sopravvive il microcircuito con un basso livello di uscita. Un microcircuito con un livello di uscita elevato funziona in modalità cortocircuito e si brucia.

Riso. 8. Corrente di cortocircuito dovuta a conflitti del bus

Per evitare tale conflitto, è necessaria una circuiteria aggiuntiva per mantenere le uscite in uno stato di alta impedenza durante l'accensione.

L'elemento principale di questo circuito potrebbe essere l'IC TLC7705. Tali microcircuiti vengono utilizzati per generare un segnale RESET all'accensione del dispositivo. Nel nostro caso, i pin di questo microcircuito sono collegati agli ingressi di abilitazione dei driver del bus. Durante l'inizializzazione o l'accensione del modulo, il segnale RESET commuta le uscite dei microcircuiti al terzo stato. Quando si creano tali circuiti, è conveniente utilizzare microcircuiti con due ingressi ENABLE (ad esempio SN74ABT541). Questa soluzione è mostrata in Fig. 9.

Riso. 9. Monitoraggio dei conflitti del bus

Esistono driver del bus che contengono già tutti i componenti necessari per la protezione dai conflitti del bus: interruttori e resistori. Questi chip sono disponibili in due serie: ETL (Enhanced Transceiver Logic, serie SN74ABTE) e BTL (Backplane Transceiver Logic, serie SN74FB).

I chip della serie ETL hanno un pin aggiuntivo per il collegamento della tensione di carica della capacità di uscita del chip, solitamente chiamato VCCBIAS. Alimenta un circuito che carica il condensatore quando il modulo è acceso.

Nella fig. La Figura 10 mostra il diagramma dell'interfaccia utilizzando il chip ETL. All'accensione del modulo, dopo aver collegato i contatti VCC1 e GND, sul chip U3 appare la tensione VCCBIAS. Allo stesso tempo, i microcircuiti U2 e U1 vengono accesi e il segnale OE disconnette le uscite del conducente del bus dal bus.

Riso. 10. Schema di interfaccia utilizzando chip della serie ETL

I picchi di tensione nei circuiti di alimentazione del sistema quando un modulo è collegato appaiono allo stesso modo dei picchi di tensione nei circuiti di segnale. In questo caso, il valore della capacità carica varia da decine a centinaia di microfarad e dipende dalla capacità dei condensatori di blocco sulla scheda collegata. Un modo per limitare i picchi di tensione è includere un interruttore nel circuito di alimentazione che si accenda lentamente. Nella fig. 11 propone un circuito in cui il ruolo di interruttore è svolto da un transistor P-MOS. Il circuito RC fornisce una lenta variazione del segnale alla base del transistor. Il diodo D scarica rapidamente il condensatore dopo che il modulo è stato spento.

Riso. 11. Circuito di commutazione lenta del modulo che utilizza un transistor

Si presuppone che il transistor abbia una bassa resistenza quando è acceso. Durante il funzionamento, la potenza dissipata dal transistor è bassa a causa della piccola caduta di tensione. Se necessario è possibile collegare più transistor in parallelo.

I moduli plug-in utilizzano comodamente i propri alimentatori.

Nella fig. La Figura 12 mostra uno schema di una fonte di alimentazione che riceve da dieci a quaranta volt dal sistema e li converte in modo pulsato in 5 V. Il circuito non produce un picco di tensione quando è acceso.

Riso. 12. Alimentazione decentralizzata

Letteratura

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