Хардуерни интерфейси

Интерфейс (взаимодействие) е връзката между компоненти и участници в микропроцесорна система.

V микропроцесорна система включва: хардуер, софтуер и хора… Следователно се разграничават следните видове интерфейси:

• хардуерен интерфейс;

• софтуерен интерфейс;

• потребителски интерфейс.

Интерфейс за програмиране предоставени от операционната система (ако има такава). Най -често срещаните потребителски интерфейси са графичен интерфейс (например десктоп на компютър с икони или командни бутони в редактора на Microsoft Office Word) и интерфейс с джойстик, където избираме необходимата ни команда, като се придвижваме през менютата (например мобилни телефони, програмируеми контролери), което също е един вид графичен интерфейс.

Хардуерен интерфейс е система от шини, конектори, съвпадащи устройства, алгоритми и протоколи, които осигуряват комуникация между всички части на микропроцесорната система. Производителността и надеждността на системата зависят от характеристиките на интерфейса.

В разгърнатите микропроцесорни системи хардуерният интерфейс се осигурява от контролерите за разтоварване на процесора. Контролер Представлява специализирана микросхема, предназначена да изпълнява функции за наблюдение и контрол. Контролерът управлява работата на устройството, например твърд диск, памет с произволен достъп, клавиатура и осигурява връзката на това устройство с други участници в МС.

Гумите се контролират от мостове… В сложни МС, например, като персонален компютър, централното място се заема от «Чипсет» (ChipSet) — набор от мостове и контролери. Чипсетът съдържа два основни чипа, които традиционно се наричат ​​южния и северния мост (Фигура 1). Северният мост обслужва системната шина, шината на паметта, AGP (ускорен графичен порт) и е основният контролер на компютъра. Южният мост се справя с работата с външни устройства (PCI шина — I / O шина за свързване на периферни устройства).

Фигура 1 — Организации за обмен на данни в персонални компютри (PC)

Организацията на взаимодействието между процесора и външните устройства е най -трудната, поради голямото им разнообразие.

Паралелни интерфейси характеризиращ се с това, че те използват отделни сигнални линии за предаване на битове и битовете се предават едновременно. Класическият паралелен интерфейс е LPT порт.

Сериен интерфейс за предаване на данни използва една сигнална линия, по която последователно се предават информационни битове един след друг.

Най -простият сериен интерфейс, който стана широко разпространен както в компютрите, така и в индустриалните системи, е стандартът RS-232изпълнява се от COM — портове… В индустриалната автоматизация той се използва широко RS-485.

USB шина (Универсална серийна шина) свързва голямо разнообразие от периферни устройства към вашия компютър, включително мобилни телефони и потребителска електроника.

Първата спецификация на интерфейса се нарича USB 1.0, в момента се използва спецификацията USB 2.0, съвременните устройства са свързани със спецификацията USB 3.0.

Стандартът USB 2.0 съдържа четири реда: приемане и предаване на данни, +5 V захранване и калъф. В допълнение към тях, USB 3.0 добавя още четири комуникационни линии (2 за приемане и две за предаване) и калъф.

USB шината има висока честотна лента (USB 2.0 осигурява максимална скорост на пренос на данни до 480 Mbps, USB 3.0 — до 5,0 Gbps) и осигурява не само пренос на данни, но и захранване на външни устройства с ниска мощност (максимален ток консумационно устройство през захранващите линии на USB шината, не трябва да надвишава 500 mA за USB 2.0 и 900 mA за USB 3.0), което елиминира необходимостта от външни захранвания.

Безжичните (безжични) интерфейси ви позволяват да се отдалечите от комуникационните кабели, което е особено важно за устройства с малък размер, по размер и тегло, съизмерими с кабелите. Използване на безжични интерфейси електромагнитни вълни инфрачервени (IrDA) и радиочестотни диапазони (Bluetooth, USB безжични).

Инфрачервен интерфейс IrDA позволява безжична комуникация между две устройства на разстояние до 1 метър. Инфрачервена комуникация — IR (инфрачервена) връзка — безопасна за здравето, не създава смущения в радиочестотния диапазон и гарантира поверителността на предаването. Инфрачервените лъчи не преминават през стени, така че зоната за прием е ограничена до малка, лесно контролируема зона.

Bluetooth (син зъб) е радиоинтерфейс с ниска мощност (мощност на предавателя само около 1 mW) за организиране на лични мрежи, осигуряващи предаване на данни в реално време на къси разстояния. Всяко Bluetooth устройство има 2.4 GHz радиопредавател и приемник. Обхватът на радиоинтерфейса е около 100 м — за покриване на стандартна къща.

Безжичен USB (USB безжичен) — радиоинтерфейс с малък обхват с висока честотна лента: 480 Mbps на разстояние до 3 метра и 110 Mbps на разстояние до 10 метра. Работи в честотния диапазон 3.1 — 10.6 GHz.

Интерфейс RS-232 (RS — препоръчителен стандарт) свързва две устройства — компютър и устройство за пренос на данни. Скоростта на предаване е 115 Kbps (максимум), разстоянието на предаване е 15 m (максимум), схемата на свързване е точка-в-точка.

Сигналите от този интерфейс се предават чрез спадане на напрежението от (3 … 15) V, следователно дължината на комуникационната линия RS-232, като правило, е ограничена от разстояние от няколко метра поради ниска устойчивост на шум. Най -често се използва в промишлено оборудване, в персонален компютър се използва за свързване на манипулатор от типа «мишка», модем. Интерфейсът RS-232 по принцип не позволява създаването на мрежи, тъй като свързва само 2 устройства.

Фигура 2 — RS -232 конектор тип DB9

Интерфейс RS-485 е широко разпространен индустриален сериен интерфейс с висока скорост и предотвратяване на заглушаване за двупосочно предаване на данни. Почти всички съвременни компютри в индустриалния дизайн, повечето сензори и задвижвания съдържат една или друга реализация на интерфейса RS-485.

За предаване и приемане на данни е достатъчна една усукана двойка проводници (усукана двойка). Предаването на данни се извършва с помощта на диференциални сигнали (оригиналният сигнал минава по единия проводник, а обратното му копие е от другия.). Разликата в напрежението на една полярност между проводниците означава логическа единица, разликата на другата полярност означава нула.

При наличие на външни смущения захващанията в съседните проводници са еднакви и тъй като сигналът е потенциалната разлика в проводниците, нивото на сигнала остава непроменено. Това осигурява висока устойчивост на шум и обща дължина на комуникационната линия до 1 км (и повече с използването на специални устройства — повторители).

Интерфейсът RS-485 осигурява обмен на данни между няколко устройства по една двупроводна комуникационна линия в полудуплексен режим (приемането и предаването преминават през една двойка проводници с разделяне на времето). Той се използва широко в промишлеността за създаване на системи за управление на процеси.

Ethernet (ether — ether) — технология за предаване на данни, използвана в повечето локални компютърни мрежи. Този интерфейс се основава на стандарта IEE 802.3.Докато интерфейсът RS-485 може да се разглежда на база един към много, Ethernet работи на база много към много.

Има няколко опции в зависимост от скоростта на предаване и носителя на предаване:

• Ethernet — 10 Mbps

• Бърз Ethernet — 100 Mbps

• Gigabit Ethernet — 1 Gbps

• 10 Gigabit Ethernet

Като носител на предаване се използват коаксиален кабел, усукана двойка (ниска цена, висока устойчивост на шум) и оптичен кабел (създаване на по-дълги линии и високоскоростни комуникационни канали).

Усукана двойка (усукана двойка) — вид комуникационен кабел, представлява една или повече двойки изолирани проводници, усукани заедно и покрити с пластмасова обвивка.

Например, FTP кабел (усукана двойка — усукана двойка с общ щит от фолио и меден проводник за източване на индуцирани токове), 4 двойки (плътни), категория 5д (Фигура 3). Кабелът е предназначен за стационарен монтаж в сгради, конструкции и работа в структурирани кабелни системи. Проектиран за приложения, работещи в честотния диапазон с горна граница от 100 MHz.

Фигура 3 — усукана двойка: 1 — външна обвивка, 2 — щит от фолио, 3 — дренажен проводник, 4 — защитен филм, 5 — усукана двойка

На физическо ниво протоколът Ethernet се реализира под формата на мрежови карти, вградени в микропроцесорни системи и хъбове, които свързват системите помежду си.

Индустриалните мрежи (Profinet, EtherNet / IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) са изградени на базата на Ethernet, които успешно се конкурират с разработените по -рано мрежи Profibus, DeviceNet, CANopen и др.