Реферат: Стандартные интерфейсы подключения датчиков и исследовательских приборов

Существуют специальные микросхемы ввода и вывода, решающие проблемы преобразования, описанные выше. Вот список наиболее типичных сигналов таких микросхем:

D0-D7 - входные-выходные линии данных, подключаемые непосредственно к шине процессора;

RXD - принимаемые данные (входные последовательные данные);

TXD - передаваемые данные (выходные последовательные данные);

CTS - сброс передачи. На этой линии периферийное устройство формирует сигнал низкого уровня, когда оно готово воспринимать информацию от процессора;

RTS - запрос передачи. На эту линию микропроцессорная система выдает сигнал низкого уровня, когда она намерена передавать данные в периферийное устройство.

Все сигналы программируемых микросхем последовательного ввода-вывода ТТЛ-совместимы. Эти сигналы рассчитаны только на очень короткие линии связи. Для последовательной передачи данных на значительные расстояния требуются дополнительные буферы и преобразователи уровней, включаемые между микросхемами последовательного ввода-вывода и линией связи.

Общие сведения о интерфейсе RS-232C

Интерфейс RS-232C является наиболее широко распространенной стандартной последовательной связью между микрокомпьютерами и периферийными устройствами. Интерфейс, определенный стандартом Ассоциации электронной промышленности (EIA), подразумевает наличие оборудования двух видов: терминального DTE и связного DCE.

Чтобы не составить неправильного представления об интерфейсе RS-232C, необходимо отчетливо понимать различие между этими видами оборудования. Терминальное оборудование, например микрокомпьютер, может посылать и (или) принимать данные по последовательному интерфейсу. Оно как бы оканчивает (terminate) последовательную линию. Связное оборудование - устройства, которые могут упростить передачу данных совместно с терминальным оборудованием. Наглядным пример связного оборудования служит модем (модулятор-демодулятор). Он оказывается соединительным звеном в последовательной цепочке между компьютером и телефонной линией.

Различие между терминальными и связными устройствами довольно расплывчато, поэтому возникают некоторые сложности в понимании того, к какому типу оборудования относится то или иное устройство. Рассмотрим ситуацию с принтером. К какому оборудованию его отнести? Как связать два компьютера, когда они оба действуют как терминальное оборудование. Для ответа на эти вопросы следует рассмотреть физическое соединение устройств. Произведя незначительные изменения в линиях интерфейса RS-232C, можно заставить связное оборудование функционировать как терминальное. Чтобы разобраться в том, как это сделать, нужно проанализировать функции сигналов интерфейса RS-232C (таблица 1).

Таблица 1. Функции сигнальных линий интерфейса RS-232C.

Номер контакта	Сокращение	Направление	Полное название
1	FG	—	Основная или защитная земля
2	TD (TXD)	К DCE	Передаваемые данные
3	RD (RXD)	К DTE	Принимаемые данные
4	RTS	К DCE	Запрос передачи
5	CTS	К DTE	Сброс передачи
6	DSR	К DTE	Готовность модема
7	SG	—	Сигнальная земля
8	DCD	К DTE	Обнаружение несущей данных
9	—	К DTE	(Положительное контрольное напряжение)
10	—	К DTE	(Отрицательное контрольное напряжение)
11	QM	К DTE	Режим выравнивания
12	SDCD	К DTE	Обнаружение несущей вторичных данных
13	SCTS	К DTE	Вторичный сброс передачи
14	STD	К DCE	Вторичные передаваемые данные
15	TC	К DTE	Синхронизация передатчика
16	SRD	К DTE	Вторичные принимаемые данные
17	RC	К DTE	Синхронизация приемника
18	DCR	К DCE	Разделенная синхронизация приемника
19	SRTS	К DCE	Вторичный запрос передачи
20	DTR	К DCE	Готовность терминала
21	SQ	К DTE	Качество сигнала
22	RI	К DTE	Индикатор звонка
23	—	К DCE	(Селектор скорости данных)
24	TC	К DCE	Внешняя синхронизация передатчика
25	—	К DCE	(Занятость)

Примечания:

Линии 11, 18, 25 обычно считают незаземленными. Приведенная в таблице спецификация относится к спецификациям Bell 113B и 208A.

Линии 9 и 10 используются для контроля отрицательного (MARK) и положительного (SPACE) уровней напряжения.

Во избежание путаницы между RD (Read - считывать) и RD (Received Data - принимаемые данные) будут использоваться обозначения RXD и TXD, а не RD и TD.

Стандартный последовательный порт RS-232C имеет форму 25-контактного разъема типа D (рис 1).

Рис. 1. Назначение линий 25-контактного разъема типа D для интерфейса RS-232C

Терминальное оборудование обычно оснащено разъемом со штырьками, а связное - разъемом с отверстиями (но могут быть и исключения).

Сигналы интерфейса RS-232C подразделяются на следующие классы.

Последовательные данные

(например, TXD, RXD). Интерфейс RS-232C обеспечивает два независимых последовательных канала данных: первичный (главный) и вторичный (вспомогательный). Оба канала могут работать в дуплексном режиме, т.е. одновременно осуществляют передачу и прием информации.

Управляющие сигналы квитирования

(например, RTS, CTS). Сигналы квитирования - средство, с помощью которого обмен сигналами позволяет DTE начать диалог с DCE до фактической передачи или приема данных по последовательной линии связи.

Сигналы синхронизации

(например, TC, RC). В синхронном режиме (в отличие от более распространенного асинхронного) между устройствами необходимо передавать сигналы синхронизации, которые упрощают синхронизм принимаемого сигнала в целях его декодирования.

На практике вспомогательный канал RS-232C применяется редко, и в асинхронном режиме вместо 25 линий используются 9 линий (таблица 2).

Таблица 2. Основные линии интерфейса RS-232C.

Номер контакта	Сигнал	Выполняемая функция
1	FG	Подключение земли к стойке или шасси оборудования
2	TXD	Последовательные данные, передаваемые от DTE к DCE
3	RXD	Последовательные данные, принимаемые DTE от DCE
4	RTS	Требование DTE послать данные к DCE
5	CTS	Готовность DCE принимать данные от DTE
6	DSR	Сообщение DCE о том, что связь установлена
7	SG	Возвратный тракт общего сигнала (земли)
8	DCD	DTE работает и DCE может подключится к каналу связи

Виды сигналов

В большинстве схем, содержащих интерфейс RS-232C, данные передаются асинхронно, т.е. в виде последовательности пакета данных. Каждый пакет содержит один символ кода ASCII, причем информация в пакете достаточна для его декодирования без отдельного сигнала синхронизации.

Символы кода ASCII представляются семью битами, например буква А имеет код 1000001. Чтобы передать букву А по интерфейсу RS-232C, необходимо ввести дополнительные биты, обозначающие начало и конец пакета. Кроме того, желательно добавить лишний бит для простого контроля ошибок по паритету (четности).

Наиболее широко распространен формат, включающий в себя один стартовый бит, один бит паритета и два стоповых бита. Начало пакета данных всегда отмечает низкий уровень стартового бита. После него следует 7 бит данных символа кода ASCII. Бит четности содержит 1 или 0 так, чтобы общее число единиц в 8-битной группе было нечетным. Последним передаются два стоповых бита, представленных высоким уровнем напряжения. Эквивалентный ТТЛ-сигнал при передаче буквы А показан на рис. 2.

Рис. 2. Представление кода буквы А сигнальными уровнями ТТЛ.

Таким образом, полное асинхронно передаваемое слово состоит из 11 бит (фактически данные содержат только 7 бит) и записывается в виде 01000001011.

Используемые в интерфейсе RS-232C уровни сигналов отличаются от уровней сигналов, действующих в компьютере. Логический 0 (SPACE) представляется положительным напряжением в диапазоне от +3 до +25 В, логическая 1 (MARK) - отрицательным  напряжением в диапазоне от -3 до -25 В. На рис. 3 показан сигнал в том виде, в каком он существует на линиях TXD и RXD интерфейса RS-232C.

Рис. 3. Вид кода буквы А на сигнальных линиях TXD и RXD.

Сдвиг уровня, т.е. преобразование ТТЛ-уровней в уровни интерфейса RS-232C и наоборот производится специальными микросхемами драйвера линии и приемника линии.

На рис. 4 представлен типичный микрокомпьютерный интерфейс RS-232C. Программируемая микросхема DD1 последовательного ввода осуществляет параллельно-последовательные и последовательно-параллельные преобразования данных. Микросхемы DD2 и DD3  производят сдвиг уровней для трех выходных сигналов TXD, RTS, DTR, а микросхема DD4 - для трех входных сигналов RXD, CTS, DSR. Микросхемы DD2 и DD3 требуют напряжения питания ±12 В.

Рис. 4. Типичная схема интерфейса RS-232C.

Усовершенствования

Разработано несколько новых стандартов, направленных на устранение недостатков первоначальных спецификаций интерфейса RS-232C. Среди них можно отметить интерфейс RS-422 (балансная система, допускающая импеданс линии до 50 Ом), RS-423 (небалансная система с минимальным импедансом линии 450 Ом) и RS-449 (стандарт с высокой скоростью передачи данных, в котором несколько изменены функции схем и применяется 37-контактный разъем типа D).

Тестовое оборудование для интерфейса RS-232C

Соединители.

Эти дешевые устройства упрощают перекрестные соединения сигнальных линий интерфейса RS-232C. Они обычно оснащаются двумя разъемами типа D (или ленточными кабелями, имеющими розетку и вставку), и все линии проводятся к той области, куда можно вставить перемычки. Такие устройства включаются последовательно с линиями интерфейса RS-232C, и затем проверяются различные комбинации подключений.

Трансформаторы разъема.

 Обычно эти приспособления имеют разъем RS-232C со штырьками на одной стороне и разъем с отверстиями на другой стороне.

Пустые модемы.

 Как и предыдущие устройства, пустые модемы включаются последовательно в тракт данных интерфейса RS-232C. Их функции заключаются в изменении сигнальных линий таким образом, чтобы превратить DTE в DCE.

Линейные мониторы.

 Мониторы индицируют логические состояния (в терминах MARK и SPACE) наиболее распространенных сигнальных линий данных и квитирования. С их помощью пользователь получает информацию о том, какие сигналы в системе присутствуют и активны.

Врезки.

Эти устройства обеспечивают доступ к сигнальным линиям. В них, как правило, совмещены возможности соединителей и линейных мониторов и, кроме того, предусмотрены переключатели или перемычки для соединения линий с обоих сторон устройства.

Интерфейсные тестеры.

 По своей конструкции эти устройства несколько сложнее предыдущих простых устройств. Они позволяют переводить линии в состояния MARK или SPACE, обнаруживать помехи, измерять скорость передачи данных и индицировать структуру слова данных.

Интерфейс USB: описание и основы устройств сопряжения

Интерфейс USB (Universal Serial Bus - Универсальный Последовательный Интерфейс) предназначен для подключения периферийных устройств к персональному компьютеру. Позволяет производить обмен информацией с периферийными устройствами на трех скоростях (спецификация USB 2.0):

·Низкая скорость (Low Speed - LS) - 1,5 Мбит/с;

·Полная скорость (Full Speed - FS) - 12 Мбит/с;

·Высокая скорость (High Speed - HS) - 480 Мбит/с.

    Для подключения периферийных устройств используется 4-жильный кабель: питание +5 В, сигнальные провода D+ и D-, общий провод.

  

 Интерфейс USB соединяет между собой хост (host) и устройства. Хост находится внутри персонального компьютера и управляет работой всего интерфейса. Для того, чтобы к одному порту USB можно было подключать более одного устройства, применяются хабы (hub - устройство, обеспечивающее подключение к интерфейсу других устройств). Корневой хаб (root hub) находится внутри компьютера и подключен непосредственно к хосту. В интерфейсе USB используется специальный термин "функция" - это логически законченное устройств, выполняющее какую-либо специфическую функцию. Топология интерфейса USB представляет собой набор из 7 уровней (tier): на первом уровне находится хост и корневой хаб, а на последнем - только функции. Устройство, в состав которого входит хаб и одна или несколько функций, называется составным (compaund device).

Порт хаба или функции, подключаемый к хабу более высокого уровня, называется восходящим портом (upstream port), а порт хаба, подключаемый к хабу более низкого уровня или к функции называется нисходящим портом (downstream port).

 Все передачи данных по интерфейсу иницируются хостом. Данные передаются в виде пакетов. В интерфейсе USB испольуется несколько разновидностей пакетов:

пакет-признак (token paket) описывает тип и направление передачи данных, адрес устройства и порядковый номер конечной точки (КТ - адресуемая часть USB-устройства); пакет-признаки бывают нескольких типов: IN, OUT, SOF, SETUP;

пакет с данными (data packet) содержит передаваемые данные;

пакет согласования (handshake packet) предназначен для сообщения о результатах пересылки данных; пакеты согасования бывают нескольких типов: ACK, NAK, STALL.

Таким образом каждая транзакция состоит из трех фаз: фаза передачи пакета-признака, фаза передачи данных и фаза согласования.

   В интерфейсе USB используются несколько типов пересылок информации.

Управляющая пересылка (control transfer) используется для конфигурации устройства, а также для других специфических для конкретного устройства целей.

Потоковая пересылка (bulk transfer) используется для передачи относительно большого объема информации.

Пересылка с прерыванием (iterrupt transfer) испольуется для передачи относительно небольшого объема информации, для которого важна своевременная его пересылка. Имеет ограниченную длительность и повышенный приоритет относительно других типов пересылок.

Изохронная пересылка (isochronous transfer) также называется потоковой пересылкой реального времени. Информация, передаваемая в такой пересылке, требует реального масштаба времени при ее создании, пересылке и приеме.

   Потоковые пересылки характеризуются гарантированной безошибочной передачей данных между хостом и функцией посредством обнаружения ошибок при передаче и повторного запроса информации.

   Когда хост становится готовым принимать данные от функции, он в фазе передачи пакета-признака посылает функции IN-пакет. В ответ на это функция в фазе передачи данных передает хосту пакет с данными или, если она не может сделать этого, передает NAK- или STALL-пакет. NAK-пакет сообщает о временной неготовности функции передавать данные, а STALL-пакет сообщает о необходимости вмешательства хоста. Если хост успешно получил данные, то он в фазе согласования посылает функции ACK-пакет. В противном случае транзакция завершается.

   Когда хост становится готовым передавать данные, он посылает функции OUT-пакет, сопровождаемый пакетом с данными. Если функция успешно получила данные, он отсылает хосту ACK-пакет, в противном случае отсылается NAK- или STALL-пакет.

   Управляющие пересылки содержат не менее двух стадий: Setup-стадия и статусная стадия. Между ними может также располагаться стадия передачи данных. Setup-стадия используется для выполнения SETUP-транзакции, в процессе которой пересылается информация в управляющую КТ функции. SETUP-транзакция содержит SETUP-пакет, пакет с данным и пакет согласования. Если пакет с данными получен функцией успешно, то она отсылает хосту ACK-пакет. В противном случае транзакция завершается.

   В стадии передачи данных управляющие пересылки содержат одну или несколько IN- или OUT-транзакций, принцип передачи которых такой же, как и в потоковых пересылках. Все транзакции в стадии передачи данных должны производиться в одном направлении.

   В статусной стадии производится последняя транзакция, которая использует те же принципы, что и в потоковых пересылках. Направление этой транзакции противоположно тому, которое использовалось в стадии передачи данных. Статусная стадия служит для сообщения о результате выполнения SETUP-стадии и стадии передачи данных. Статусная информация всегда передается от функции к хосту. При управляющей записи (Control Write Transfer) статусная информация передается в фазе передачи данных статусной стадии транзакции. При управляющем чтении (Control Read Transfer) статусная информация возвращается в фазе согласовании статусной стадии транзакции, после того как хост отправит пакет данных нулевой длины в предыдущей фазе передачи данных.

   Пересылки с прерыванием могут содержать IN- или OUT-пересылки. При получении IN-пакета функция может вернуть пакет с данными, NAK-пакет или STALL-пакет. Если у функции нет информации, для которой требуется прерывание, то в фазе передачи данных функция возвращает NAK-пакет. Если работа КТ с прерыванием приостановлена, то функция возвращает STALL-пакет. При необходимости прерывания функция возвращает необходимую информацию в фазе передачи данных. Если хост успешно получил данные, то он посылает ACK-пакет. В противном случае согласующий пакет хостом не посылается.

   Изохронные транзакции содержат фазу передачи признака и фазу передачи данных, но не имеют фазы согласования. Хост отсылает IN- или OUT-признак, после чего в фазе передачи данных КТ (для IN-признака) или хост (для OUT-признака) пересылает данные. Изохронные транзакции не поддерживают фазу согласования и повторные посылки данных в случае возникновения ошибок.

   В связи с тем, что в интерфейсе USB реализован сложный протокол обмена информацией, в устройстве сопряжения с интерфейсом USB необходим микропроцессорный блок, обеспечивающий поддержку протокола. Поэтому основным вариантом при разработке устройства сопряжения является применение микроконтроллера, который будет обеспечивать поддержку протокола обмена.     В настоящее время все основные производители микроконтроллеров выпускают продукцию, имеющую в своем составе блок USB ,например фирма Atmel производит контроллёр AT43355 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 10-разрядный АЦП. Функция имеет 1 управлющую КТ и 3 программируемых КТ с буферами FIFO размером 64/64/8 байт.

 

ЦИФРОВОЙ ЗАПОМИНАЮЩИЙ ОСЦИЛЛОГРАФ ЛА-ОЦЗС

Устройство ЛА-ОЦЗ представляет собой цифровой запоминающий осциллограф, предназначенный для работы в составе IBM-совместимого компьютера.
К компьютеру устройство подключается через стандартный параллельный принтерный порт LPT.
Основное назначение прибора - исследование формы электрических сигналов путем визуального наблюдения и измерения их амплитудных и временных параметров.
Принцип работы прибора заключается в том, что непрерывный (аналоговый) сигнал преобразуется в цифровую форму и полученные цифровые данные передаются в компьютер. Под управлением программного обеспечения цифровой сигнал обрабатывается и отображается на мониторе компьютера.
Программное обеспечение, входящее в комплект поставки, позволяет использовать прибор как обычный осциллограф, спектроанализатор, регистратор и стробоскоп. Эквивалентное разрешение стробоскопа до 1 ГГц. Система маркеров позволяет проводить точные интерполяционные измерения, функция растяжки (зумирования) изображения позволяет детально исследовать форму сигналов. Поддерживается функция копирования осциллограмм сигналов в буфер обмена для использования другими приложениями операционной системы.

Минимальные требования к системе

·           IBM-совместимый персональный компьютер

·           Процессор Pentium 100 МГц или совместимый

·           Объем ОЗУ 32 Mб

·           Накопитель CD-ROM

·           8 Мб свободного дискового пространства

·           Свободный параллельный принтерный порт LPT

·           ОС Microsoft Windows95, Windows98, Windows ME

·           Мышь

Технические характеристики

Интерфейс с компьютером	Параллельный порт LPT
Потребляемая мощность	+5В; 1,9А
Габариты	158 х 62 х 259 мм
Масса (без блока питания)	не более 1 кг
Число входов	2 синхронных
Тип разъема	BNC
Входное сопротивление	1МОм, 30пФ
Полоса пропускания (-3 дБ)	50 МГц
Диапазоны входных напряжений	± 5,0В; ± 2,5В; ± 1,0В; ± 0,5В
Тип АЦП	Параллельный
Разрешение	8 бит
Время преобразования	20нс
Максимальная частота дискретизации одноканальном режиме (канал 0)	100МГц
Максимальная частота дискретизации в двухканальном режиме	50МГц
Максимальная частота дискретизации в режиме стробоскопа (эквивалентная)	до 1 ГГц
Объем памяти	128Кб/канал

Параметры

Параметр	Типовое Значение
Отношение сигнал/шум	47,5 дБ
Коэффициент гармоник	-55,0 дБ
Реальный динамический диапазон	57 дБ
Число эффективных разрядов	7,7
Проникание из канала в канал	-60 дБ

Источники:

1. Internet: http://www.rudshel.ru/russian/ - Центр АЦП ЗАО “Руднёв – Шиляев”
2. Internet: http://elhelp.h1.ru/ - DeltaSoft /информация о USB/
3. Internet: http://www.pageofmax.narod.ru/lpt.htm - Персональная страница Меметова Максима Евгеньвича