Interfejsy sprzętowe

Interfejs (interakcja) to połączenie między komponentami i uczestnikami systemu mikroprocesorowego.

V układ mikroprocesorowy obejmuje: sprzęt, oprogramowanie i ludzi... W związku z tym wyróżnia się następujące typy interfejsów:

• interfejs sprzętowy;

• interfejs oprogramowania;

• interfejs użytkownika.

Interfejs programistyczny dostarczany przez system operacyjny (jeśli istnieje). Najpopularniejsze interfejsy użytkownika to interfejs graficzny (na przykład pulpit komputera z ikonami lub przyciskami poleceń w edytorze Microsoft Office Word) oraz interfejs joysticka, w którym wybieramy potrzebne polecenie, poruszając się po menu (na przykład telefony komórkowe , programowalne kontrolery), który jest również rodzajem GUI.

Interfejs sprzętowy to system magistral, złączy, urządzeń dopasowujących, algorytmów i protokołów, który zapewnia komunikację między wszystkimi częściami systemu mikroprocesorowego. Wydajność i niezawodność systemu zależy od charakterystyki interfejsu.

W wbudowanych systemach mikroprocesorowych interfejs sprzętowy jest zapewniany przez kontrolery odciążające procesor.Kontroler Jest to wyspecjalizowany mikroukład przeznaczony do wykonywania funkcji monitorowania i sterowania. Kontroler zarządza pracą urządzenia, np. dyskiem twardym, pamięcią o dostępie swobodnym, klawiaturą oraz zapewnia połączenie tego urządzenia z innymi uczestnikami SM.

Opony są kontrolowane przez mosty... W złożonym systemie MS, na przykład takim jak komputer osobisty, centralne miejsce zajmuje «ChipSet» (ChipSet) - zestaw mostków i kontrolerów. Chipset zawiera dwa główne układy, które tradycyjnie nazywane są mostkiem południowym i mostkiem północnym (rysunek 1). Mostek północny obsługuje magistralę systemową, magistralę pamięci, AGP (akcelerowany port graficzny) i jest głównym kontrolerem komputera. Mostek południowy obsługuje pracę z urządzeniami zewnętrznymi (magistrala PCI — magistrala I/O do podłączania urządzeń peryferyjnych).

Rysunek 1 — Organizacje wymiany danych w komputerach osobistych (PC)

Organizacja interakcji między procesorem a urządzeniami zewnętrznymi jest najtrudniejsza ze względu na ich ogromną różnorodność.

Interfejsy równoległe charakteryzują się tym, że wykorzystują oddzielne linie sygnałowe do przesyłania bitów, a bity są przesyłane jednocześnie. Klasycznym interfejsem równoległym jest port LPT.

Szeregowy interfejs transmisji danych wykorzystuje pojedynczą linię sygnałową, przez którą bity informacji są przesyłane sekwencyjnie jeden po drugim.

Najprostszym interfejsem szeregowym, który rozpowszechnił się zarówno w komputerach, jak iw systemach przemysłowych, jest standard RS-232, który jest realizowany przez porty COM... W automatyce przemysłowej jest szeroko stosowany RS-485.

Magistrala USB (Universal Serial Bus) łączy z komputerem szeroką gamę urządzeń peryferyjnych, w tym telefony komórkowe i elektronikę użytkową.

Pierwsza specyfikacja interfejsu nosi nazwę USB 1.0, obecnie używana jest specyfikacja USB 2.0, nowoczesne urządzenia są podłączane do specyfikacji USB 3.0.

Standard USB 2.0 zawiera cztery linie: odbiór i transmisja danych, zasilanie +5 V oraz obudowę. Oprócz tego USB 3.0 dodaje cztery dodatkowe linie komunikacyjne (2 do odbioru i dwie do transmisji) oraz obudowę.

Magistrala USB charakteryzuje się dużą przepustowością (USB 2.0 zapewnia maksymalną szybkość przesyłania danych do 480 Mb/s, USB 3.0 — do 5,0 Gb/s) i zapewnia nie tylko przesyłanie danych, ale także zasilanie urządzeń zewnętrznych o niskim poborze mocy (maksymalny prąd pobór prądu przez linie zasilające magistrali USB nie powinien przekraczać 500 mA dla USB 2.0 i 900 mA dla USB 3.0), co eliminuje konieczność stosowania zewnętrznych zasilaczy.

Bezprzewodowe (bezprzewodowe) interfejsy pozwalają odejść od kabli komunikacyjnych, co jest szczególnie ważne w przypadku urządzeń o niewielkich gabarytach, gabarytach i wadze porównywalnej z kablami. Korzystanie z interfejsów bezprzewodowych fale elektromagnetyczne podczerwień (IrDA) i zakresy częstotliwości radiowych (Bluetooth, USB wireless).

Interfejs IrDA na podczerwień umożliwia bezprzewodową komunikację pomiędzy dwoma urządzeniami w odległości do 1 metra. Komunikacja w podczerwieni - połączenie IR (podczerwień) - bezpieczne dla zdrowia, nie powoduje zakłóceń w zakresie częstotliwości radiowych i zapewnia prywatność transmisji. Promienie podczerwone nie przechodzą przez ściany, więc obszar odbioru jest ograniczony do małego, łatwego do kontrolowania obszaru.

Bluetooth (blue tooth) to interfejs radiowy małej mocy (moc nadajnika tylko około 1 mW) do organizowania sieci osobistych zapewniający transmisję danych w czasie rzeczywistym na niewielkie odległości. Każde urządzenie Bluetooth ma nadajnik i odbiornik radiowy 2,4 GHz. Zasięg interfejsu radiowego wynosi około 100 m — na pokrycie standardowego domu.

Wireless USB (USB wireless) — interfejs radiowy krótkiego zasięgu o dużej przepustowości: 480 Mb/s na dystansie do 3 metrów i 110 Mb/s na dystansie do 10 metrów. Działa w zakresie częstotliwości 3,1 — 10,6 GHz.

Interfejs RS-232 (RS — Recommended Standard) łączy dwa urządzenia — komputer i urządzenie do przesyłania danych. Szybkość transmisji to 115 Kb/s (maksymalna), odległość transmisji to 15 m (maksymalna), schemat połączenia to punkt-punkt.

Sygnały z tego interfejsu przesyłane są spadkiem napięcia (3…15) V, dlatego długość linii komunikacyjnej RS-232 jest z reguły ograniczona do odległości kilku metrów ze względu na małą odporność na zakłócenia. Stosowany jest najczęściej w urządzeniach przemysłowych, w komputerze osobistym służy do podłączenia manipulatora typu „myszka”, modemu. Interfejs RS-232 generalnie nie pozwala na pracę w sieci, ponieważ łączy tylko 2 urządzenia.

Rysunek 2 — Złącze RS-232 typu DB9

Interfejs RS-485 jest szeroko stosowanym, szybkim, przeciwzakłóceniowym przemysłowym interfejsem szeregowym do dwukierunkowej transmisji danych. Prawie wszystkie nowoczesne komputery w projektowaniu przemysłowym, większość czujników i napędów zawiera jedną lub drugą implementację interfejsu RS-485.

Jedna para skręconych przewodów (skrętka) wystarcza do transmisji i odbioru danych.Transmisja danych odbywa się za pomocą sygnałów różnicowych (pierwszy sygnał idzie jednym przewodem, a jego odwrotna kopia drugim). Różnica napięcia jednej biegunowości między przewodami oznacza jedynkę logiczną, różnica drugiej biegunowości oznacza zero.

W obecności zakłóceń zewnętrznych zaczepy w sąsiednich przewodach są takie same, a ponieważ sygnał jest różnicą potencjałów w przewodach, poziom sygnału pozostaje niezmieniony. Zapewnia to wysoką odporność na zakłócenia i łączną długość linii komunikacyjnej do 1 km (i więcej przy użyciu specjalnych urządzeń — repeaterów).

Interfejs RS-485 umożliwia wymianę danych pomiędzy kilkoma urządzeniami dwuprzewodową linią komunikacyjną w trybie half-duplex (odbiór i transmisja odbywa się przez jedną parę odseparowanych czasowo przewodów). Jest szeroko stosowany w przemyśle do tworzenia systemów sterowania procesami.

Ethernet (ether — ether) — technologia transmisji danych stosowana w większości lokalnych sieci komputerowych. Ten interfejs jest oparty na standardzie IEE 802.3 Podczas gdy interfejs RS-485 można rozpatrywać na zasadzie jeden-do-wielu, Ethernet działa na zasadzie wiele-do-wielu.

Istnieje kilka opcji w zależności od szybkości transmisji i medium transmisyjnego:

• Ethernet — 10 Mb/s

• Szybki Ethernet — 100 Mb/s

• Gigabitowy Ethernet — 1 Gb/s

• 10 Gigabit Ethernet

Jako media transmisyjne wykorzystywane są kabel koncentryczny, skrętka (niski koszt, wysoka odporność na zakłócenia) oraz kabel optyczny (tworzenie dłuższych linii i szybkich kanałów komunikacyjnych).

Skrętka (skrętka) — rodzaj kabla komunikacyjnego, to jedna lub więcej par izolowanych przewodów skręconych razem i pokrytych plastikową osłoną.

Na przykład kabel FTP (skrętka — skrętka ze wspólną osłoną z folii i przewodem miedzianym do odprowadzania prądów indukowanych), 4 pary (drut), kategoria 5e (rysunek 3). Kabel przeznaczony jest do układania stacjonarnego w budynkach, konstrukcjach oraz pracy w systemach okablowania strukturalnego. Przeznaczony do zastosowań pracujących w zakresie częstotliwości z górną granicą 100 MHz.

Rysunek 3 — skrętka: 1 — osłona zewnętrzna, 2 — ekran foliowy, 3 — przewód drenażowy, 4 — folia ochronna, 5 — skrętka

Na poziomie fizycznym protokół Ethernet jest realizowany w postaci kart sieciowych osadzonych w układach mikroprocesorowych oraz koncentratorów, które łączą ze sobą systemy.

Sieci przemysłowe (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) budowane są w oparciu o Ethernet, który z powodzeniem konkuruje z opracowanymi wcześniej sieciami Profibus, DeviceNet, CANopen itp.