5. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ЦИФРОВЫХ СТАНДАРТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ

5. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ЦИФРОВЫХ СТАНДАРТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ

2 Для эффективной работы любой системы управления необходимо правильно организовать обмен информации между основными функцио - нальными блоками, которую выполняют интерфейсы (ИФ). На современном этапе развития техники создано достаточно большое количество стандартных цифровых интерфейсов, обладающими различными характеристиками. В данном разделе представлен анализ современных основных типов интерфейсов и разработка областей применения для решения конкретных задач автоматизации в текстильной промышленности.

3 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СТАНДАРТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ КЛАССИФИКАЦИЯ СТАНДАРТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СТАНДАРТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНТЕРФЕЙСОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

4 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СТАНДАРТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ Информационно-вычислительные системы состоят из устройств, подразделяемых на четыре класса: процессоры, памяти, периферийные устройства (дисплеи, принтеры и т. п. ) и интерфейсы Интерфейсы – промежуточные устройства, кото - рые служат для соединения процессоров, памятей и периферийного оборудования с целью передачи информации между ними. Пятой составляющей являются программы, храни- мые в долговременной памяти, например на диске.

5 К исходу ХХ века развитие микроэлектроники позволило реализовать процессоры и памяти в многослойных пластинках структурированных полупроводников, содержащих несколько десятков миллионов элементов – транзисторов, резисторов, конденсаторов и даже индуктивностей. Такие СБИС – сверхбольшие интегральные схемы – являются законченными, производство которых под силу лишь крупнейшим фирмам. Сложность периферийных устройств иного характера: на основе высоких технологий в них объединены механические детали, электромагнитные, полупроводниковые, вакуумные и иные элементы. И эти изделия также вполне закончены изготовителями.

6 Великое разнообразие информационно-вычисли - тельных систем достигается благодаря компоновке разных устройств посредством интерфейсов. В течение последних 10 -15 лет образовалась новая специализация в компь ю терных технологиях – компоновка, состав - ление систем. Инженер, создающий систему, изучает генеральную задачу и характеристики отдельных доступных устройств, чтобы подходящие интерфейсы и режимы их работы для оптимального решения задачи. Главной областью персональных знаний инженера-интегратора являются интерфейсы.

7 Поскольку процессоры, памяти и периферийное оборудование выпускаются в готовом виде, именно от выбора интерфейсов и их качества зависят качества создаваемой системы. Ошибки в выборе интерфейсов приводят к большим потерям средств и времени. Интерфейсы прошли длительный путь развития – от примитивных не стандартизированных соединений элементарных в первом цифровом компьютере ENIAK в 1944 году до комплекса стандартов на базе современного Scalable Coherent Interface ( SCI ), о хватывающего все области информационно- вычислительных технологий наших дней.

8 Успехи микроэлектроники побуждали инженеров совершенствовать интерфейсы: увеличивать их быстро - действие, расширять разновидность магистралей и услож- нять логический протокол. В свою очередь, новый интерфейс воплощался не только в новых СБИС, но и влиял на структуру микропроцессоров и памятей. В последние годы такое взаимовлияние особенно проявилось в разработках комплекса SCI. Микроэлектроника уже дала человечеству процессоры и памяти колоссальной информационной мощности. От эффективности их использования в XXI веке зависят успехи в решении информационных, технологических и военных задач, стоящих перед народами и государствами.

9 Однако эта эффективность зависит от совершенства именно интерфейсов. Разработка и применение новых интерфейсов является важн ой задач ей в разработке ИИС. Первым шагом в решении этих задач является основательное изучение интерфейсов студентами и инженерами занимающимся разработкой систем. Стандарты на интерфейсы, однажды широко распространившись, действуют до сих пор. Интерфейсы MIL – 1553 B и HP – IB , зародившиеся в 60 -х годах, применяются в усовершенствованном виде и в наше время. Интерфейсы модульных систем существуют еще дольше – примером является система VME , корни которой прослеживаются в середине 70 -х годов, однако и в настоящее время объем модулей не спадает.

10 КЛАССИФИКАЦИЯ СТАНДАРТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ ПО СТРУКТУРЕ ПО ПОРЯДКУ ПО АРХИТЕКТУРЕ ОБМЕНА ПЕРЕДАЧИ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ИНТЕРФЕЙСА ПО МЕТОДУ ОБМЕНА ПО ПРИРОДЕ ИНФОРМАЦИЕЙ ПО СИГНАЛА МЕЖДУ НАЗНАЧЕНИЮ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ БЛОКАМИ Кнопка возврата на эту страницу

11 ПО СТРУКТУРЕ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИИ КАСКАДНАЯ РАДИАЛЬНАЯ (ЦЕПОЧЕЧНАЯ) (ЗВЕЗДА) МАГИСТРАЛЬНАЯ РАДИАЛЬНО- МАГИСТРАЛЬНАЯ

12 ПО ПОРЯДКУ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ

13 ПО АРХИТЕКТУРЕ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕРФЕЙСА ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ ИНТЕРФЕЙС ВЕТВИ ИНТЕРФЕЙС МЕЖМАШИННОЙ СВЯЗИ

14 ПО ПРИРОДЕ СИГНАЛА АНАЛОГОВЫЕ ЦИФРОВЫЕ

15 ПО МЕТОДУ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИИ МЕЖДУ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ МЕТОДАМИ СИНХРОННЫЙ АСИНХРОННЫЙ

16 ПО НАЗНАЧЕНИЮ МАШИННЫЕ СИСТЕМНЫЕ ПРИБОРНЫЕ

17 КАСКАДНАЯ (ЦЕПОЧЕЧНАЯ) ФБ 1 ФБ 2 ФБm ИФУ 1 ИФУ 2 ИФУm Обмен информацией осуществляется непосредственно от блока к блоку, они управляют другом, и адресация не требуется.

18 Пример использования каскадной цепочки: измерительный цифровой канал 1 MUX ФБУ # n Сигнал поступает на аналоговый вход АЦП, где преобразуется в цифровой сигнал и в дальнейшем передается от блока к блоку последовательно.

19 РАДИАЛЬНАЯ ФБ 1 ФБ 2 ФБm ИФУ 1 ИФУ 2 ИФУm ФБУ Управление всеми блоками ведется одновременно, что обеспечивает высокое быстродействие.

20 Радиальная структура на примере ИВК-8 Базовый комплект СМ-3 ОШ Расширитель ОШ ИФУ Щ 1516 Ф 799/1 ЦВ Расширитель ОШ осуществляет передачу информации радиальным способом между магистралями ОШ.

21 МАГИСТРАЛЬНАЯ ФБ 1 ФБ 2 ФБm ИФУ 1 ИФУ 2 ИФУm ФБУ Характеризуется общим каналом связи, через который с помощью ФБУ происходит обмен информацией последовательно во времени.

22 Пример применения магистрального интерфейса на примере простейшей локальной ИВС Магистраль HP-IL ИФУ Кл # Мл CP ФБУ ^ # ^ Данная структура позволяет подключить к микро-ЭВМ несколько различных устройств, что расширяет функциональные возможности системы.

23 РАДИАЛЬНО - МАГИСТРАЛЬНАЯ ФБm ИФУm ФБУ Несет в себе характеристики как радиальной, так и магистральной структуры.

24 Пример радиально-магистрального интерфейса CP # RAM ОШ # # RG CT KK ШД ^ ^ Экспериментальная ЦАВОМ установка В данном примере передача информации осуществляется как магистрально, с использованием магистралей ОШ и крейта КАМАК с внешними устройствами, так и радиально между магистралями.

25 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИФ Передача происходит по бит / сек, с использованием одной линии (RS-232 C, RS-422, RS- 423 HP-IL ). Последовательные ИФ могут быть выполнены с разомкнутой или замкнутой (петлевой) магистралью, с односту - пенчатой или много ступенчатой адресацией объединяемых ФБ. Петлевая структура позволяет повысить надежность системы, а многоступенчатая адресация - сосредоточить в определенных местах значительное количество ФБ.

26 ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ИФ Передача происходит по байт / сек, с использованием нескольких параллельных линий (магистраль GPIB). По сравнению с последовательным приборным ИФ позволяет получать существенно большую скорость обмена информацией, а также передаче информации по байтам. В то же время использование асинхронного обмена информацией позволяет объединять ФБ, имеющие различное быстродействие.

27 КОМБИНИРОВАННЫЙ ИФ Интерфейс, в котором группы из определен- ного числа бит (чаще всего из 8 бит) передаются параллельно по соответствующему числу линий, а количество групп (байт) воспринимается приемниками последовательно.

28 ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ ТОУ СНК СР ТОУ СНК Система в которой информационные, вычисли- тельные и управляющие ресурсы распределены по нескольким элементам системы.

29 ЦЕНТРАЛИЗОВАННАЯ ТОУ УСО СР ТОУ Система, в которой управление взаимодействием вырабатывается общим элементом (СР).

30 ИНТЕРФЕЙС ВЕТВИ УВВ УВМ КВ ОСО Ветвь – это конфигурация системы состоящая из контроллера ветви, из магистрали и подключенных к ней функциональных блоков. В ней работает вторая ступень централизации управления. В ИФ КАМАК могут быть использованы семь ветвей.

31 ИНТЕРФЕЙС МЕЖМАШИННОЙ СВЯЗИ (ИММС) В данной системе применяется ИММС конфигурация ветви для взаимосвязи контроллеров ветви и персонального компьютера.

32 АНАЛОГОВЫЕ СИСТЕМЫ Характеризуется различными видами сигналов, используемых в промышленности для сбора информации с аналоговых датчиков. В дальнейшем преобразование идет в цифровой сигнал. Используется для связи с аналоговыми устройствами. Создание аналогового интерфейса является трудной задачей. Это объясняется тем, что искажение в ней измерительных сигналов может привести к резкому ухудшению метрологических характеристик системы.

33 ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ Характеризуются высоким быстродействием, передачи и обработки сигнала. Передает преобразованный сигнал на компьютер, где идет переработка информации. Используется для связи с цифровыми устройствами. Этот вид интерфейсов имеет широкое распространение в промышленности, так как цифровые и вычислительные части занимают существенную долю в ИИС, и имеется тенденция к их увеличению.

34 СИНХРОННЫЙ S 1 i S 2 При синхронном методе передача (прием) информации производится в фиксированный момент времени, определенной синхроимпульсами. Характе- ризуется хорошей помехозащищенностью, просто- той организации, не реализует оптимального быстродействия.

35 АСИНХРОННЫЙ S 1 i S 2 i S 3 При асинхронном методе время передачи информации различно и определяется быстродействием пары ФБ (источника и приемника). При этом реализуется рациональный режим обмена и увеличивается скорость обмена информации.

36 МАШИННЫЕ ИФ Используется для построения ЭВМ и подключение к ней периферийных устройств. Примером является общая шина, шина данных и т. д. В интерфейсах ЭВМ преимущественно используется магистральный принцип построения с программным управлением процессом обмена. В настоящее время наблюдается тенденция к унификации машинных интерфейсов для всех ЭВМ.

37 СИСТЕМНЫЕ ИФ Позволяют из набора функциональных блоков строить автономные СНК, способны функционировать без универсального управления ЭВМ. Пример – САМАС, ФАСБАС и другие. Эти интерфейсы предусматривают: возможность построения систем с двумя и более уровнями централизации, раздельные системы шин для информационных и управляющих потоков, магистральную систему шин, работающую совместно с несколькими радиальными шинами, связывающими все ФБ с ФБУ. В состав ИФ входят различные стандартные ФБ, позволяющие проектировать ИИС на базе строгой унификации конструкции и питания.

38 ПРИБОРНЫЕ Приборные интерфейсы характеризуются максималь- ной степенью независимости от ЭВМ и позволяющей обледенить в единую СНК приборы, которые могут работать автономно. Этот интерфейс характеризуется также большой функциональной возможностью. Жесткие требования относятся к разъемам. Недостатком является достаточно сложная организация обмена информации. Пример – HP-IL , GP-IB, КОП. Эти интерфейсы обеспечивают работу с одним уровнем централизации, имеет раздельные информационные шины и шины управления относится к ИФ с магистральной системой шин.

39 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СТАНДАРТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ RS-232 С CAMAC RS-422, RS-423 HP-IL RS-485 Кнопка возврата на эту страницу

40 Интерфейсы RS-232 С Интерфейс RS -232 C широко применяется для синхронной и асинхронной передачи данных при двухточечном и многоточечном соединении или многоточечном соединении периферийных устройств в дуплексном режиме обмена. Передача может производится со скоростью до 57, 6 (Кбит/с). при передаче сигналов используются уровни сигналов +12 В. Основные сигналы интерфейса, наиболее часто используемые приведены далее.

41 Интерфейсы RS-232 С Номер цепи Наименование Группа контактно- го разъема 1 101 Экран Заземление 7 102 Логический нуль 2 103 Передаваемые данные Данные 3 104 Принимаемые данные 4 105 Запрос передачи Управление 5 106 Готов к передаче 6 107 Передатчик готов 10 108, 2 Приемник готов 8 109 Детектор принимаемого линейного канала данных 22 125 Индикатор вызова

42 Интерфейсы RS-232 С На практике широко используют вариант подключе - ния , называемый «коротко замкнутая петля» , при котором цепи устройства и ЭВМ соединяются следующим образом: Цепи ЭВМ Цепи ПУ 103 (передаваемые данные) 104 (принимаемые данные) 105 (запрос передачи) 106 (готов к передаче) При использовании стандартных разъемов устанав - ливаются соответствующие перемычки. Стыковка устройств, использующих интерфейс ИРПС, с устройствами, выходящими на стык С 2, осуществляется через достаточно простой адаптер.

43 Интерфейсы RS-422, RS-423 Интерфейс RS – 422 является развитием стандарта RS – 232 C для высоко скоростной передачи данных на более далекое расстояние. Типичные скорости передачи данных по интерфейсу RS – 422: 90 Кбит/с на расстоя- ние до 1200 м. В топологии, стоимости, гибкости, общих технических требований и обеспечения средствами программирования интерфейс RS - 422 эквивалентен интерфейсу RS – 232 С. В настоящее время интегральные схемы реализации интерфейсов (стык С 2) RS – 422 и (стык С 2 -ИС) RS – 423 существенно расширяют применение интерфейса для сопряжения СВТ между собой и с внешним оборудованием повышенного быстродействия.

44 Интерфейсы RS-422, RS-423 Электрические и другие основные параметры симме - тричных (RS – 422) и (RS – 423) цепей стыка С 2 – ВС. Параметры Симметричные цепи Несимметричные цепи Мах. Скорость, 10000 (15 м) 100 (15 м) Кбит/c Мах. Длина, м 1200 (при скорости 1200 90 кбит/с Уровень логических -0, 3/0, 3 сигналов, В, лог. 1/лог. 0 Сопротивление 75 согласования, ОМ Сопротивление 100/4000 1000 выходное/входное, Ом Время передачи 200 1000 бита, нс

45 Интерфейсы RS-422, RS-423 Симметричная цепь стыка состоит из симметрич - ного генератора, соединенного симметричным провод- ником с приемником (нагрузка цепи стыка), и схемы согласования. Максимальная длинна проводника кабеля ограничивается в основном допустимым напряжением сигнала на приемном конце, воздействием помех и разностью потенциалов заземленных точек передатчика и приемника. Несимметричные цепи интерфейса RS – 423 состоят из несимметричного генератора, соединенного с приемником посредством соединительного провода и общего обратного провода. Цепи могут быть расширены до многоточечного соединения путем добавления генераторов и приемников.

46 Интерфейсы RS-422, RS-423 Электрические характеристики рассчитаны на совместное использование симметричных (например для цепей «данных» и «синхронизации» ) и несимметричных (для цепей «управления» ) цепей в одном интерфейсе, а также взаимное соединение устройств, использующие симметричные и несимметричные генераторы и приемники.

47 Интерфейсы RS-485 Интерфейс RS– 485 – это усовершенствованный вари- ант интерфейса RS – 422. Он обеспечивает возможность увеличения длинны связей, числа точек в многоточечной конфигурации при улучшении помехоустойчивости. Выпускаемые приемопередачи совместимы по цоколевке выводов корпусов с приемопередатчиками для RS – 422. В интерфейсе предусматриваются следующие скорости передачи и соответственно реализации физических линий связи: Скорость, кбит/c Реализация линий 62, 5 Одна витая пара проводов 375 Одна витая пара проводов 2400 Две витые пары проводов

48 Интерфейсы RS-485 Передача со скоростью 62, 5 Кбит/ с используется при низкоскоростном сборе данных, 375 Кбит/с – для высокоскоростной синхронной передачи на короткие расстояния, в основном команд управления. Стандарт предусматривает применение 10– провод- ного плоского кабеля для приложений, где требуется дополнительные связи по питанию и сигналы контроля. Интерфейс допускает до 250 узлов в физически распределенной области с длинами связей от 30 м (для синхронной передачи) до нескольких километров (для работы с самосинхронизацией).

49 CAMAC Система САМАС ( Computer Automated Measurement and Control - измерение и управление, автоматизированное с помощью ЭВМ), разработана и предложена комитетом ESONE), которые приняты международными и многими национальными организациями по стандартизации.

50 САМАС

51 САМАС Основные особенности системы САМАС: модульный принцип построения ; конструктивная однородность, обеспечиваемая использованием унифицированных конструкций, включая крейт для размещения функци - ональных модулей ; магистральная структура информа - ционных связей между функциональными блоками ; применение принципов программного управления. В системе САМАС стандартизированы : конструк - тивные элементы, электрические сигналы и логика, терминология. Стандарт на электрические сигналы определяет на- пряжение питания, уровни логических сигналов и до- пустимые нагрузки на входе и выходе сменных блоков.

52 САМАС Стандарт на логику нормализует функции сигналов, их временные зависимости и расположения на контактах соединителей. Спецификации модульных приборов САМАС и цифровой системы интерфейса имеются в нескольких стандартах IEC (МЭК). IEC 516 - основной стандарт, определяет механическую конструкцию вставных блоков в крейте, установленном на шасси. IEC 552 - определяет параллельную магистраль ветви (Branch Highway), которая служит для передачи данных в системе, содержащей до семи крейтов САМАС и локальные меж соединения.

53 САМАС IEC 640 - определяет последовательную магист - раль , используемую для конфигураций, содержащих до 62 крейтов САМАС и распределенные соединения в условиях помех. IEC 678 - определяет основные термины, формально описанные в вышеперечисленных стандартах IEC , а также дополнительные термины, используемые в различных стандартах на систему САМАС, и прочно установившееся термины общего употребления. IEC 729 - определяет совместную работу в одном крейте многих контроллеров.

54 Приборный интерфейс HP-IL Интерфейс HP - IL предназначен для построения малых кольцевых последовательных систем и сетей с низкой потребляемой мощностью и стоимостью. Основные особенности HP - IL : используется одна двухпроводная линия, образующая замкнутую петлю, и миниатюрные импульсные трансформаторы; в случае применения качественных двухпроводных линий и трансформаторов расстояние между устройствами может достигать 100 м; архитектура - типа задатчик - исполнители, т. е. имеется один контроллер (диспетчер), а остальные устройства – исполнители; возможна работа с несколькими контроллерами в режиме разделения времени;

55 Приборный интерфейс HP-IL сообщение проходит последовательно через все устройства и в устройство-источник, где проверяется на отсутствие ошибок. Формат 11 -разрядного кадра сообщения: первые три разряда (С 2, С 1, С 0) – управляющая информация, следующие 8 разрядов – конкретное сообщение или данные. Кодирование разрядов осуществляется 3 - уров - невым кодом (импульсное биполярное кодирование). Кодирование первого разряда С 2 осуществляется двоичным импульсом. Первый импульс является признаком старта и обеспечивает синхронизацию во всех устройствах системы.

56 Основные классы сообщений кодируются разрядами С 2, С 1, С 0: Класс сообщений С 2 С 1 С 0 Данные 0 Конец записи Запрос обслуживание Команда 1 0 Готовность 1 0 Идентификация 1 1 Запрос обслуживание Кодирование данных при С 2=0 упрощает декодирование данных в петле с максимальной скоростью. Сообщение данных и команд имеют такое же назначение, как в интерфейсе HP-IB. Сообщение «Готовность» является специальным для выполнения в последовательной петле, сообщение «Идентификация» - для выполнения функции парал - лельного опроса.

57 Приборный интерфейс HP-IL Функциональная организация. В петле в каждый момент передается только одно сообщение. Контроллер и источник ожидает возврата посланного им сообщения, а затем посылает следующее сооб - щение. Адресуемый приемник запоминает текущий кадр, пока устройство подготовлено для приема следующего кадра. При этом устройства с различным быстродействием функционирует идентично. Скорость передачи в петле зависит от вида и числа включенных устройств, а также от алгоритма их работы.

58 Приборный интерфейс HP-IL При условии, что источник непрерывно посылает кадры данных, контроллер передает следующий кадр только после получения первого бита предыдущего кадра данных; проверка ошибок принятого кадра осуществляется параллельно с передачей следующего кадра; скорость передачи равна 20 Кбайт/с. Наиболее быстро процесс взаимодействия осуществляется в случае, если в системе имеется один – два приемника. Если же сообщение адресуется всем устройствам (особенно характерно для командных сообщений), эффективная скорость работы интерфейса существенно снижается.

59 ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНТЕРФЕЙСОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ Измерительный канал контроля уровня шлихты RS-232 C Н N # # K CP

60 СНК АСУ процесса текстурирования HP-IL RS-422 EISA CP CSMA/CD TK 1 УСОИ CPU# ФБУ MUX СР Д VМS

61 Измерительный канал контроля приклея VНОМ CНОМ TНОМ RS-485 Н > N # # K CP K ПЦОС ФБУ Эталон C > > L

62 Раздел Анализ современных цифровых стандартных интерфейсов является частью электронного учебника в среде Microsoft Power Point, подготовленного на кафедре автоматики и промышленной электроники Московского государственного университета имени А. Н. Косыгина. Предлагаем Вам ознакомиться с другими разделами электронного учебника. Для этого щелкните на кнопке Содержание. Спасибо за внимание! Содержание