Параллельная передача данных

При параллельной передаче данных несколько бит информации одновременно передается от передатчика к приемнику. Параллельная передача данных организуется путем группировки в шины отдельных проводников. Количество одновременно передаваемых бит информации определяет разрядность шины и ее пропускную способность.

В случае, если шина подразумевает подключение нескольких устройств, она снабжается буферными элементами, увеличивающими ее нагрузочную способность.

Распространенные параллельные интерфейсы:

ISA, PCI, IDE, SCSI, LPT

Последовательные интерфейсы

Последовательные интерфейсы могут решать как задачи внешней по от­ношению к проектируемому устройству связи (Internet), так и внутренней связи (Ethernet). Если принято проектное решение об использовании в сис­теме последовательных интерфейсов, то встает вопрос о выборе типа стан­дартного интерфейса или проектировании нетипового. Нетиповой после­довательный интерфейс можно рассматривать как частный случай проек­тирования устройства связи системных магистралей двух процессоров по совокупности линий связи, количество которых существенно меньше, чем разрядность процессора с обменом в последовательных кодах. В этом случае можно применять вышеприведенный подход. Но целесообразность такой раз­работки должна иметь очень весомые аргументы. Современная электронная промышленность предлагает широкий спектр комплектующих, в том числе и с высокой степенью интеграции, для реализации стандартных последова­тельных интерфейсов с различными протоколами обмена.

Каждый стандартный интерфейс характеризуется набором параметров, которые называют программными (определяют правила обмена пачками импульсов — фреймами) и аппаратными (определяют правила электриче­ских сопряжений) протоколами.

Функции протокола определяют его служебное назначение и соответст­вие требованиям ТЗ. Их количество и качество напрямую связано со стоимо­стью и сложностью программно-технической реализации интерфейса и его свойствами.

Уровни протоколов. Физический уровень определяет количество линий связи; тип линии связи по физическому носителю информации (электриче­ский ток, свет и т. п.); уровни сигналов носителя информации; уровень пита­ния линии связи; требования к каналу (шине) передачи информации (витая пара, коаксиальный кабель и т. п.); наличие и тип гальванической развяз­ки; максимальное расстояние между узлами сети; скорость обмена данными.

Транспортный уровень определяет: типы фреймов, их назначение и их состав (пачки импульсов, содержащие, в том числе, и сообщение); способ выде­ления фреймов; схему обмена (синхронный, асинхронный, симплексный, по­лудуплексный, дуплексный); способ доступа к шине; схему арбитража запро­сов узлов; способ выявления ошибок в сообщении и их исправления или обо­значения; способ элегантной деградации сети при ее частичном разрушении.

Объектный уровень определяет способ, а иногда и средства фильтрации сообщений; способ и/или схему обработки сообщений и состояний в фрей­мах; правила дешифрации фреймов; способ логического и аппаратного со­гласования схемы шины и схемы узла.

Рассмотрим основные характеристики некоторых распространенных ин­терфейсов.

Интерфейс RS-232c. Основные параметры стандарта RS-232c: количест­во линий связи — 4 (возможно 3 и 2); длина линий связи (до 15 м); тактовые частоты приемника и передатчика одинаковы, допустимое отклонение — 10%; скорость передачи — 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600, 115 200 бит/с (bps). Уровни сигналов, определяющие логиче­ские состояния, представлены в табл. 19.

При отсутствии обмена линия находится в состоянии «1». Семантика сиг­налов RS-232c: FG — экранирование, TxD — передаваемые данные, RxD —

Таблица 19

Уровни сигналов логического состояния RS-232c

Логический символ	Уровень при передаче передаче	Уровень при приеме
«1»	-5...-15 В	-3...-25 В
«0»	+5...+ 15 В	+3...+25 В
Зона неопределенности	CQ ю 5. +	+3...-3 В

принимаемые данные, RTS — запрос передачи, CTS — сброс для передачи, DSR — готовность данных, SG — нулевой провод (обнаружение несущей дан­ных), DTR — готовность выходных данных, RI — индикатор вызова. При удаленной связи обычно используют только сигналы TxD, RxD, SG, FG и соответствующие им линии: TxD, RxD — витая пара проводов, FG — экран пары, SG — общий (нулевой) провод.

Интерфейс RS-485. Основные параметры стандарта RS-485: количество проводов в линии — 4 и общий (R — линия передачи данных, D — линия передачи данных, RE — линия управления передачей, DE — линия управле­ния приемом); тип кабеля — витая пара с экраном; длина линии до 1200 м; выходное напряжение передатчика без нагрузки — ±1,5...1,6 В; выходное напряжение передатчика на нагрузку в 5 Ом — ±1,5...1,6 В; ток короткого замыкания на общий провод не менее 250 мА; синфазное напряжение на вы­ходе передатчика 1...+3 В; синфазное напряжение на входе приемника —

—7 + 11 В; чувствительность приемника — ±0,2 В; входное сопротивление

приемника— более 12кОм; максимальная скорость передачи— 10 Мб/с; число приемников, нагружаемых на один передатчик — 32; уровень напря­жения линии в пассивном состоянии — 5 В; архитектура обмена — иерархи­ческая; количество полей фрейма — 3; разрядность поля данных — 8.

Передача полезного сигнала осуществляется изменением направления протекания тока («1» — в прямом направлении, «0» — в обратном). В неак­тивном состоянии передатчик переводится в третье состояние с высоким уров­нем. Не следует использовать экран в качестве общего провода.

Стандарт EIA RS-485 определяет только электрические и физические характеристики интерфейса. Программная реализация определяется поль­зователем. В частности можно применять протоколы обмена и программные драйверы интерфейса RS-232c.

Интерфейс CAN. Основные параметры стандарта CAN (стандарт ISO 11898): количество проводов в линии — 2, плюс общий; тип кабеля — витая пара с экраном; длина линии — до 1000 м; напряжение питания линии определяет­ся разработчиком (+3,3...+30 В); выходное напряжение верхнего уровня — (U2/3) В; выходное напряжение нижнего уровня — (U1/3) В; уровень напря­жения линии в пассивном состоянии — (U/2) В; максимальная скорость пе­редачи — 1 Мб/с; число приемников, нагружаемых на один передатчик, — (2¹¹ - 1); архитектура обмена — иерархическая; количество полей фрейма — 5; разрядность поля данных — 8. В неактивном состоянии передатчик пере­водится в состояние с низким уровнем.

Интерфейс USB. USB — универсальная последовательная шина (Univer­sal Serial Bus), обладающая следующими показателями:

■ последовательная передача данных;

■ высокая скорость обмена данными до 480 Мбит/с;

■ наличие линии питания интерфейсных сигналов (5 В, 500 мА);

■ поддержка функции автоматического определения внешнего устройства при подключении (plug — & — play);

■ возможность подключения к шине при включенном питании (hot plug);

■ расширяемость USB-порта до 127 устройств с помощью специального устройства — размножителя (hub) с архитектурой типа «многоуровневая звезда»;

■ наличие электронных компонентов, интегрирующих как физический, так и логический уровни;

■ поддержка большинством популярных операционных систем.

ИнтерфейсSPI. SPI (Serial Peripheral Interfase) использует четырехпро­водные линии связи для одновременного приема и передачи данных. Другие параметры физического уровня определяются прежде всего техническими характеристиками процессоров, с которыми взаимодействует интерфейс. Транспортный уровень характеризуется следующей семантикой сигналов: SDO — передаваемые данные, SDI — принимаемые данные, SCK — синхро­низация последовательных данных, SS — управление передатчиком ведо­мого узла, прочие параметры имеют свободную интерпретацию.

ИнтерфейсыUART. Интерфейсы UART (USART) — это общее название устройств асинхронного последовательного обмена данными (USART — син­хронно-асинхронного) по двухпроводным линиям. Например, контроллер RS-232c также является UART. Технические характеристики уровней про­токолов UART определяются архитектурой и схемотехникой, принятой из­готовителем контроллера интерфейса. Интерфейсы UART широко применя­ются в микропроцессорах, имеют развитую схемотехнику и часто за счет проблемно-ориентированного программного обеспечения позволяют эффек­тивно решать задачи обмена.

Интерфейс "токовая петля"

Интерфейс "токовая петля" используется для передачи информации с 1950-х годов. Первоначально в нем использовался ток 60 мА [Current]; позже, с 1962 года, получил распространение интерфейс с током 20 мА, преимущественно в телетайпных аппаратах. В 1980-х годах начала широко применяться "токовая петля" 4...20 мА в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики. Популярность "токовой петли" начала падать после появления стандарта на интерфейс RS-485 (1983 г.) и в настоящее время в новом оборудовании она практически не применяется.

В передатчике "токовой петли" используется не источник напряжения, как в интерфейсе RS-485, а источник тока. По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки. Поэтому в "токовой петле" протекает ток, не зависящий от сопротивления кабеля , сопротивления нагрузки и э. д. с. индуктивной помехи (рис. 2.10), а также от напряжения питания источника тока (см рис. 2.11). Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.

Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения. Емкостная наводка , э. д. с. которой приложена не последовательно с источником тока, а параллельно ему, не может быть ослаблена в "токовой петле" и для ее подавления следует использовать экранирование (подробнее о борьбе с помехами см. раздел 3).

Рис. 2.10. Принцип действия "токовой петли"

В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.

На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления . При токе 20 мА для получения стандартного напряжения 2,5 В, 5 В или 10 В используют резистор сопротивлением 125 Ом, 250 Ом или 500 Ом соответственно.

Основным недостатком "токовой петли" является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля от источника тока. Например, при типовой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость кабеля составит 75 нФ. Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения 5 В необходимо время 19 мкс, что соответствует скорости передачи около 9 кбит/с. На рис. 2.12 приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажений (дрожания), который оценивался также, как и для интерфейса RS-485 [Optically].

Вторым недостатком "токовой петли", ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0...20 мА и 4...20 мА; гораздо реже используют 0...60 мА. В перспективных разработках рекомендуется использовать только диапазон 4...20 мА, как обеспечивающий возможность диагностики обрыва линии (см. раздел "Аппаратное резервирование").

Интерфейс "токовая петля" распространен в двух версиях: цифровой и аналоговой.

Аналоговая "токовая петля"

а)

б)

Рис. 2.11. Два варианта построения аналоговой "токовой петли": со встроенным в передатчик источником питания (а) и выносным (б)

Аналоговая версия "токовой петли" используется, как правило, для передачи сигналов от разнообразных датчиков к контроллеру или от контроллера к исполнительным устройствам. Применение "токовой петли" в данном случае дает два преимущества. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью (погрешность "токовой петли" может быть снижена до ±0,05%). Кроме того, стандарт "токовая петля" поддерживается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации.

В варианте "4...20 мА" в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (кабель имеет разрыв, если ток равен нулю) в отличие от варианта "0...20 мА", где величина "0 мА" может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Вторым преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энергии датчику для его питания.

Цифровая "токовая тепля"

Цифровая "токовая петля" используется обычно в версии "0...20 мА", поскольку она реализуется гораздо проще, чем "4...20 мА" (рис. 2.13). Поскольку при цифровой передаче данных точность передачи логических уровней роли не играет, можно использовать источник тока с не очень большим внутренним сопротивлением и низкой точностью. Так, на рис. 2.13 при стандартном значении напряжения питания =24 В и падении напряжения на входе приемника 0,8 В для получения тока 20 мА сопротивление должно быть равно примерно 1,2 кОм. Сопротивление кабеля сечением 0,35 кв. мм и длиной 1 км равно 97 Ом, что составит всего 10% от общего сопротивления петли и им можно пренебречь. Падение напряжения на диоде оптрона составляет 3,3% от напряжения источника питания, и его влиянием на ток в петле также можно пренебречь. Поэтому с достаточной для практики точностью можно считать, что передатчик в этой схеме является источником тока.

Рис. 2.13. Принцип реализации цифровой "токовой петли"

Как аналоговая, так и цифровая "токовая петля" может использоваться для передачи информации нескольким приемникам одновременно (рис. 2.14). Вследствие низкой скорости передачи информации по "токовой петле" согласование длинной линии с передатчиком и приемником не требуется.

"Токовая петля" нашла свое "второе рождение" в протоколе HART.

Рис. 2.14. Токовая петля может быть использована для передачи информации нескольким приемникам