Очевидно, что современной робототехнике для управления роботами требуется множество различных параметров. Их передача реализуется через различные интерфейсы передачи данных характеризующиеся различными скоростями передачи данных, типом передаваемой информации и способом её передачи.

В Таблица 3.3 представлены наиболее распространённые и часто встречающиеся в робототехнике и стандарты связи.

Таблица 3.3

Как видно из таблицы среди проводных последовательных интерфейсов RS-232С самый медленный, однако в силу простоты реализации большой распространенности в мире его использование наиболее приемлимо для учебных моделей и прототипов на которых отрабатываются различные тестовые принципы и алгоритмы. Так как его поддержка реализована в 99% программных продуктов на уровне стандартных библиотек интерфейсов по разработке ПО для современных компьютеров, а возможности которые предоставляет данный протокол связи позволяют контролировать наличие ошибок в линии, что достаточно для большинства схем. Конечно не стоит забывать и о параллельном интерфейсе однако он обладает существенными недостатками: прежде всего это очень низкая скорость передачи данных которая в некоторых случаях становится узким местом в реализации схемы, необходимость в прокладке большего числа кабелей по сравнению с последовательным интерфейсом передачи данных и малой длинной линии обусловленной очень низкой помехозащищённостью. Всё это делает данный интерфейс неудобным в реализации и мало подходящим для создания связи между микроконтроллерами и управляющей схемой.

Среди беспроводных протоколов для целей управления простыми роботами наиболее подходящим является стандарт связи ZigBee в связи с малой потребляемой мощностью оборудования работающего по этому стандарту и его направленности на данный сектор задач.

Последовательный интерфейс RS-232С

Данный последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных, определяется стандартом EIA RS-232-C (Таблица) и рекомендациями V.24 CCITT. Изначально он создавался для связи компьютера с терминалом однако в настоящее время используется в самых различных целях.

Интерфейс RS-232-C предназначен для соединения двух устройств. При чём линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот, данный режим называется полнодуплексным. Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение хотя и возможна организация аппаратного подтверждения путем организации дополнительных линий для обеспечения функций определения статуса и управления.

Таблица 3.4

Основными преимуществами использования RS-232C являются возможность передачи на большие (по сравнению с параллельным интерфейсом) расстояния и более простая схема разводки кабеля. Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами в добавок к ним может присутствовать и бит чётности, но как правило он не используется.

Современный компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем (более распространённый и в дальнейшем будет рассматриваться и подразумеваться только он) для подключения RS-232C. Распайка контактов для (DB9P).

Таблица 3.5. Порядок обмена по интерфейсу RS-232C

Наименование	Направление	Описание	Контакт (DB9P)
		Carrie Detect (Определение несущей)
		Receive Data (Принимаемые данные)
		Transmit Data (Передаваемые данные)
		Data Terminal Ready (Готовность терминала)
		System Ground (Корпус системы)
		Data Set Ready (Готовность данных)
		Request to Send (Запрос на отправку)
		Clear to Send (Готовность приема)
		Ring Indicator (Индикатор)

Назначение сигналов следующее:

FG - защитное заземление (экран).

TxD - данные, передаваемые компьютером в последовательном коде

RxD - данные, принимаемые компьютером в последовательном коде

RTS - сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи.

CTS - сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи. Говорит о готовности приемника.

DSR - готовность данных. Используется для задания режима модема.

SG - сигнальное заземление, нулевой провод.

DCD - обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого сигнала).

DTR - готовность выходных данных.

RI - индикатор вызова. Используется при соединение с модемом и приеме им сигнала вызова по телефонной сети. В нашем случае вообще не используется.

Для связи наиболее часто используются трех- или четырехпроводная связь (для двунаправленной передачи).

Использование двухпроводной линии связи возможно только в случае передачи из компьютера во внешнее устройство, при этом используются используются сигналы SG и TxD. Все 10 сигналов интерфейса задействуются только при соединении компьютера с модемом что в данном случае не актуально.

Данные соопровождаются стартовым битом, битом четности и одним или двумя стоповыми битами их количество не принципиально. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии биты данных через определннные интервалы времени. Очень важно, чтобы тактовые частоты приемника и передатчика были одинаковыми, допустимое расхождение - не должно превышать 10%.

Скорость передачи по RS-232C в соответствии со стандартом может выбираться из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с. Очевидно что данная вольность в выборе скорости позволяет подобрать наиболее оптимальные условия для передачи данных.

Замечу, что данные передаются в инверсном коде т.е. логической единице соответствует низкий уровень, а логическому нулю - высокий уровень сигнала.

Обмен данными по последовательному интерфейсу осуществляется с помощью обращений по специально выделенным для этого портам COM1 (адреса 3F8h…3FFh, прерывание IRQ4), COM2 (адреса 2F8h…2FFh, прерывание IRQ3), COM3 (адреса 3F8h…3EFh, прерывание IRQ10), COM4 (адреса 2E8h…2EFh, прерывание IRQ11). Аналогичное описание присутствует и в документации к любому микроконтроллеру использующему данный интерфейс связи.

Однако возникает вопрос о достаточности скорости работы данного интерфейса при использовании протокола RS-232С с максимальной скоростью передачи составляющей 115200 бит/с. Разрешить подобный вопрос позволяет простая формула. Для расчёта по которой требуется знать скорость интерфейса, некоторые его особенности и количество байт требуемое для управления приводом (некоторым приводам требуется всего один байт, а некоторым 2 или даже 3 для управления, но этот параметр определяется особенностью самого привода)

Формула (для выяснения количества обновлений задания для привода за 1 секунду:

где i - количество обновления команд за 1 секунду, V - скорость канала,

N - количество приводов, S - количество байт требуемое для управления 1 приводом, k - служебные байты, предназначенные для активации контроллера, порядковый № привода, контрольная сумма, а 10 это количество бит передаваемых за одну посылку по протоколу RS-232С т.е. 8 бит даннных плюс один стартовый и один стоповый бит. Бит чётности не используется. Тогда для змеевидного робота Змеелок получается:

Что означает: за 1 секунду приводы могут максимально получить ~182 команды что более чем достаточно для реализации управления т.к. по расчётам минимально необходимое количество обновлений в секунду составляет 20 - 40 обновлений.

В связи со всем вышеизложенным на начальном этапе разработки змеевидного робота целесообразно направить усилия на создание многозвенного робота с проводным интерфейсом RS-232С с последующим переходом на интерфейс CAN или беспроводной ZigBee как более скоростные и современные.

В качестве последовательного промышленного интерфейса передачи данных в средствах автоматизации рассмотрим протокол RS-485.

Стандарт Ассоциации электронной промышленности (EIA) RS-485 представляет собой широко используемый промышленный стандарт на двунаправленную, симметричную линию передачи. Протокол стандарта

EIA RS-485 имеет следующие характеристики:

Максимальная длина линии в пределах одного сегмента сети: 1200 метров (4000 футов);

Пропускная способность – 10 Мбод и выше;

Дифференциальная линия передачи (уравновешенные симметричные линии);

Максимальное число узлов в сегмент-32;

Двунаправленная коммуникационная линия с функцией арбитража работающая по кабелям, состоящим из одной витой пары;

Возможность подключения параллельных узлов. Истинная многоточечная схема подключения.

Модули ADAM являются полностью изолированными и при передаче и при приёме данных работают с единственной витой парой. Поскольку соединение узлов выполняется параллельно, модули могут быть свободно отключены от головного (системного) компьютера без каких-либо последствий для функционирования остальных узлов. Применение экранированной витой пары в промышленных условиях является предпочтительным, поскольку это обеспечивает получение высокого отношения полезный сигнал/шум.

При совместной работе узлов в сети, в ней не происходит конфликтов по передаче данных, поскольку используется простая последовательность команда/возвращённое значение. В сети всегда присутствует один инициатор обмена (без адреса) и большое количество пассивных узлов (с адресом). В нашем случае в качестве арбитра выступает персональный компьютер, подключённый через свой последовательный RS-232 порт, к сетевому преобразователю RS-232/RS-485 типа ADAM. В качестве пассивных участников обмена данными выступают модули ADAM. Когда модули не передают данные, они находятся в состоянии ожидания. Головной компьютер инициирует обмен данными с одним из модулей путём реализации последовательности команда/возвращаемое значение. Команда обычно состоит из адреса модуля, с которым хочет установить связь головной компьютер. Модуль с указанным адресом выполняет команду и передает возвращаемое значение в системный компьютер.

Многоточная структура сети RS-485 работает на базе двухпроводного соединения узлов в сегменте сети. Стыкуемые модули подключатся к этим двум линиям с помощью так называемых ответвителей (drop cables). Таким образом, все подключения выполняются параллельно и любые подсоединения и отсоединения узлов никак не влияют на работу сети в целом. Поскольку модули ADAM работают со стандартом RS-485 и используют команды в формате кодов ASCII, тот они могут стыковаться и обмениваться информацией с любыми компьютерами и терминалами, воспринимающими эти коды. При организации сети на базе протокола RS-485 могут применяться схемы соединений: в цепочку, звездой, смешанная и т.д.

Структурная схема системы связи, в состав которой входят при­емники и формирователи, соответствующие требованиям настоя­щего стандарта, приведена на рис. 22. Элементами системы являются формирователи, приемники, соединительный кабель и согласую­щие резисторы (R с). Общая нагрузка, обусловленная наличием приемников и формирователей в пассивном (включенном, высокоимпедансном) состоянии, определяется количеством присутствующих еди­ниц нагрузки. Единица нагрузки, в свою очередь, определяется вольтамперной характеристикой (ВАХ). Нагрузкой является формирователь (G), приемник (R) либо их параллельное соединение в пассивном состоянии (рис.12).

Каждый случай неравномерности импеданса линии приводит к отражению и искажению передаваемого сигнала. Если неравномерность импеданса имеет место в линии передачи, это немедленно приводит к эффекту отражения сигнала, искажающему исходный сигнал. Особенно этот эффект проявляется на концах линий. Для устранения неравномерности установите на конце линии согласующее сопротивление.

С задачей разработки устройств обмена данными в той или иной мере сталкивался практически каждый разработчик. В случае выбора протокола для нового изделия всегда встает вопрос о компромиссе между сложностью аппаратных средств интерфейса («амуниции») и протоколом передачей данных («конституции»). Кроме того, присматриваясь к новомодному интерфейсу, не следует забывать, что очень часто в наших скромных задачах достаточно возможностей старого доброго RS232 или RS485, реализация которых к тому же исключительно дешева и многократно отработана.

Последние несколько лет помимо прочих прелестей принесли разработчику и целый букет новых интерфейсов, позволяющих без помех передавать большие объемы информации на значительное расстояние. Современные ПЛИС ведущих производителей имеют встроенную аппаратную реализацию таких интерфейсов, как GTL, LVDS. Однако практически вся современная элементная база устройств обработки сигналов рассчитана на работу от питающего напряжения не выше 3,3 В, что вызывает необходимость разработки способов сопряжения указанных интерфейсов с традиционными. В то же время на русском языке практически отсутствует литература по этому вопросу. Многие компании опубликовали руководства по применению ИС для реализации технических средств интерфейса , но, к сожалению, они не всегда доступны российскому читателю.

Рис. 1. Области применения интерфейсов передачи данных

На рис. 1 представлены области использования различных интерфейсов передачи данных в координатах расстояние - скорость передачи.

Как нетрудно заметить, если требуется передача информации на расстояние больше нескольких десятков сантиметров, стандартные логические уровни оказываются неудовлетворительными. На помощь приходят специализированные протоколы. Какой же из них выбрать для разрабатываемой системы? Какая элементная база позволит реализовать его аппаратно? Каковы особенности применения данного интерфейса? Дать ответ на эти вопросы предстоит в этом занятии школы.

При выборе протокола передачи данных следует обращать внимание на несколько основных параметров. Это скорость передачи данных, расстояние между источником и приемником данных, заранее заданные уровни сигналов, совместимость, вид интерфейса (параллельный или последовательный). В табл. 1 приведена краткая характеристика основных интерфейсов и данные об основных производителях ИС, их поддерживающих. Разумеется, последний столбец отражает лишь малую толику существующих решений - в тех случаях, когда производителей слишком много, в таблице скромно указано семейство ИС.

Таблица 1. Интерфейсы передачи данных

Тип интерфейса	Скорость передачи данных по одной линии, Мбит/с	Расстояние между источником и приемником данных, м	Стандарт	Производители элементной базы, поддерживающие интерфейс или семейства ИС
Последовательный	25/50	1,5	IEEE1394 - 1995
	100-400	4,5	IEEE1394-1995/p1394.a	Texas Instruments, Intel и др.
	12	5	USB2.0	Texas Instruments, Intel и др.
	35	10 (1200)	TIA/EIA485(RS-485)(ISO8482)
	200	0,5	LVDM (в разработке)	LVDM
	10	10 (1200)	TIA/EIA422(RS-422)(ITU-TV.11)	Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex и др.
	200/100	0,5/10	TIA/EIA644(LVDS)(в разработке)	LVDS
	512 Кбит/с	20	TIA/EIA232(RS-232)(ITU-TV.28)	Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex и др.
Параллельно-последовательный, последовательно-параллельный	455	До 10	TIA/EIA644 (LVDS)	Texas Instruments и др.
	1,25 Гбит/с	До 10	IEEE P802.3z	Texas Instruments и др.
	2,5 Гбит/с	До 10	IEEE P802.3z	Texas Instruments и др.
	35	10 (1200)	TIA/EIA485 (RS-485)(ISO8482)	Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex и др.
	40/20	12/25	SCSI	Многие производители
	40	12	LVD-SCSI	Многие производители
	200/100	0,5/10	LVDM (в разработке)	LVDM
	33/66	0,2	Compact PCI
	33/66	0,2	PCI	TI, PLX, разработчики прошивок для ПЛИС
Параллельный	Тактовая частота до 4 МГц	10	IEEE Std1284-1994	AC1284, LVC161284LV161284
	Тактовая частота до 20 МГц	0,5	CMOS, JESD20, TTL, IEEE1014-1987	AC, AHC, ABT, HC, HCT и др.
	Тактовая частота до 33 МГц	0,5	LVTTL (JED8-A), IEEE1014-1987	LVTH. ALVT
	Тактовая частота до 40 МГц	0,5	VME64 StandardANSI/VITA1-1991	ABTE
	Тактовая частота до 60 МГц	0,5	IEEE Std1194.1-1991	BTL/FB+
	Тактовая частота до 60 МГц	0,5	JESD8-3	GTL/GTL+
	Тактовая частота до 100 МГц	0,5	JESD8-3	GTLP
	Тактовая частота до 200 МГц	0,1	EIA.JESD8-3,EIA/JESD8-9	SSTL

По способу организации передачи данных различают однопроводные (single-ended) и дифференциальные (differential) интерфейсы. На рис. 2 приведена обобщенная схема однопроводного интерфейса При однопроводной передаче данных используется одна сигнальная линия, и ее логический уровень определяется относительно земли. Для простых медленных интерфейсов допускается использование общей земли. В более совершенных интерфейсах каждый сигнальный провод имеет свою землю, и оба провода, как правило, объединяются в витую пару. Преимуществом однопроводных систем является простота и дешевизна реализации. Поскольку каждая линия передачи данных требует только одного сигнального провода, они удобны для передачи параллельных данных на небольшое расстояние. Примером может служить привычный параллельный интерфейс принтера. Другой пример - последовательный интерфейс RS-232. Как видим, однопроводные интерфейсы часто применяются в тех случаях, когда решающим фактором является стоимость реализации.

Рис. 2. Однопроводный интерфейс

Основным недостатком однопроводных систем является их низкая помехоустойчивость. Из-за наводок на общий провод возможен сдвиг уровней сигналов, приводящий к ошибкам. При передаче на расстояния порядка нескольких метров начинает оказывать влияние индуктивность и емкость проводов.

Преодолеть указанные недостатки удается в дифференциальных системах. На рис. 3 приведена принципиальная схема реализации дифференциальной передачи данных.

Рис. 3. Дифференциальный интерфейс

Для балансной дифференциальной передачи данных используется пара проводов. На приемном конце линии вычисляется разность между сигналами. Заметим, что такой способ передачи данных пригоден не только для цифровых, но и для аналоговых линий. Ясно, что при дифференциальной передаче удается в значительной мере подавить синфазную помеху. Отсюда следует основное достоинство дифференциальных протоколов - высокая помехоустойчивость. Недаром один из самых распространенных протоколов в промышленных компьютерах - RS-485 построен по дифференциальной схеме.

Недостатком дифференциальных схем является их относительно высокая стоимость, а также сложности при выполнении парных согласованных каскадов передатчиков и приемников.

Рассмотрим физические параметры интерфейсов. В литературе принято следующее обозначение уровней.

• VIH - входное напряжение высокого уровня (логической единицы);
• VIL - входное напряжение низкого уровня (логического нуля);
• VOH - выходное напряжение высокого уровня (логической единицы);
• VOL - выходное напряжение низкого уровня (логического нуля).

На рис. 4 приведены логические уровни для однопроводных интерфейсов, а на рис. 5 - для дифференциальных.

Рис. 4. Уровни сигналов в однопроводных интерфейсах

Интерфейс TIA/EIA - 644 (LVDS - Low voltage differential signaling), используется в скоростных системах передачи данных. Интерфейс LVDS использует дифференциальную передачу данных с довольно низкими уровнями сигналов. Разность сигналов составляет 300 мВ, линии нагружаются сопротивлением 100 Ом. Выходной ток передатчика составляет от 2,47 до 4,54 мА. Интерфейс TIA/EIA - 644 обладает лучшими характеристиками потребления по сравнению с TIA/EIA - 422 и может служить его заменой в новых разработках. Максимальная скорость передачи данных составляет 655 Мбит/с. Достоинство данного интерфейса - преемственность ИС приемопередатчиков по разводке с драйверами хорошо известных и применяемых интерфейсов RS-422 и RS-485. Данный подход позволяет использовать новые интерфейсы в уже разработанных платах , что облегчает переход на новую элементную базу.

Интерфейс LVDS поддерживают многие современные ПЛИС, такие как APEX фирмы ALTERA, Virtex фирмы Xilinx и ряд других. Типичными представителями драйверов этого интерфейса являются ИС SN65LVDS31/32, SN65LVDS179 фирмы Texas Instruments.

По электрическим свойствам к интерфейсу LVDS примыкает интерфейс LVDM . Этот протокол поддерживают ИС SN65LVDM176, SN65LVDM050.

Рис. 5. Уровни сигналов в двухпроводных интерфейсах

При проектировании однопроводных интерфейсов одной из центральных проблем является сопряжение различных устройств с объединительной или кросс-платой (backplane systems), особенно если требуется «горячая замена» узлов. Как правило, на объединительной плате приняты единые уровни сигналов, и задача разработчиков периферийных плат состоит в правильном выборе средств сопряжения. Следует заметить, что за долгую историю ТТЛ-уровни стали стандартом де-факто для объединительных плат и внутрифирменных (или внутриведомственных) интерфейсов. Поэтому при развитии существующих систем и применении новой элементной базы возникает необходимость в сопряжении новых плат с общей шиной. Для этих целей существует целый набор решений.

Как известно, классические ТТЛ и КМОП семейства ИС обеспечивают ток нагрузки до 24 мА при минимальном импедансе линии 50 Ом. С появлением БиКМОП технологии стало возможным достигнуть значения выходного тока –32/ 64 мА и работы на линию с импедансом 25 Ом. Для этих целей приспособлено семейство ИС SN74ABT25xxx. Данные микросхемы могут быть также использованы в системах так называемой «горячей замены» модулей, съемные модули могут подключаться или отключаться по ходу работы прибора.

При проектировании подключаемых модулей необходимо выполнить несколько требований, которые, во-первых, предупредят поломку модуля при подключении к работающей системе и, во-вторых, не приведут к сбоям в работе системы. Рассмотрим их.

Интерфейс между подключаемым и основным модулями состоит из шин питания, земли и сигнальных шин. Модель микросхемы, подключаемой к системе, показана на рис. 6.

Рис. 6. Диоды на входе и выходе ИС

Защита входов и выходов микросхем осуществляется с использованием диодных ключей.

Для защиты выходов используются диоды Д3 и Д4. Диод D3 используется в микросхемах КМОП для защиты от электростатических разрядов. Диод D4 защищает от напряжения на выходе, меньшего уровня логического нуля.

При разработке подключаемых модулей лучше использовать микросхемы БиКМОП, поскольку они выгодно отличаются от прочих тем, что имеют схему (рис. 7), которая держит выход микросхемы в состоянии высокого импеданса в момент включения микросхемы. Эта цепь следит за напряжением питания и состоит из двух диодов D1 и D2 и транзистора Q1, на базу которого подается напряжение. При напряжении питания, которое меньше установленного (например, для серии ABT/BCT VCOFF~2,5 В, для LVT VCOFF~1,8 В), выход этой цепи переходит в состояние логической единицы. При этом он отключает сигнал на выходе микросхемы, независимо от входного. Это свойство микросхем БиКМОП гарантирует, что поведение схемы предсказуемо даже при очень низком напряжении питания.

Рис. 7. Цепь, отключающая выход при пониженном напряжении питания в микросхемах БиКМОП

При горячем подключении модуля поведение системы будет предсказуемо, если соблюдаются по крайней мере два условия:

• на разъеме есть один или несколько контактов земли, выдвинутых вперед относительно других контактов;
• интерфейс состоит только из биполярных или БиКМОП микросхем с тристабильными выходами или с выходами с открытым коллектором.

Проблема конфликтов на шине стоит особенно остро, когда встречаются выходные сигналы разных уровней - низкого и высокого. На рис. 8 показан этот процесс. Ток, который возникает в результате конфликта, достигает 120 мА, и в этой борьбе выживает та микросхема, которая имеет на выходе низкий уровень. Микросхема с высоким уровнем на выходе работает в режиме короткого замыкания и сгорает.

Рис. 8. Ток короткого замыкания при конфликтах на шине

Для того чтобы избежать такого конфликта, нужна дополнительная схема, которая во время включения питания держала бы выходы в состоянии высокого импеданса.

Основным элементом этой схемы может быть ИС TLC7705. Такие микросхемы используются для генерации сигнала RESET при включении прибора. В нашем случае выводы этой микросхемы подключаются ко входам разрешения шинных формирователей. Во время инициализации или включения модуля сигнал RESET переводит выходы микросхем в третье состояние. При создании таких схем удобно использовать микросхемы, которые имеют два входа ENABLE (например, SN74ABT541). Это решение показано на рис. 9.

Рис. 9. Мониторинг конфликтов на шине

Существуют шинные формирователи, которые уже содержат в себе все необходимые для защиты от шинных конфликтов компоненты - коммутаторы и резисторы. Эти микросхемы выпускаются в двух сериях: ETL (Enhanced Transceiver Logic, серия SN74ABTE) и BTL (Backplane Transceiver Logic, серия SN74FB).

Микросхемы серии ETL имеют дополнительный вывод для подключения напряжения зарядки выходной емкости микросхемы, обычно называемый VCCBIAS. Он питает схему, заряжающую конденсатор во время включения модуля.

На рис. 10 показана схема интерфейса с использованием микросхемы ETL. В момент включения модуля после подсоединения контактов VCC1 и GND на микросхеме U3 появляется напряжение VCCBIAS. Одновременно включаются микросхемы U2 и U1 и сигналом OE отключают выходы шинного формирователя от шины.

Рис. 10. Схема интерфейса с использованием микросхем серии ETL

Броски напряжения в цепях питания системы при подключении модуля появляются точно так же, как броски в сигнальных цепях. При этом величина заряжаемой емкости колеблется от десятков до сотен микрофарад и зависит от емкости блокирующих конденсаторов на подключаемой плате. Один из путей к ограничению скачка напряжения - включение в цепь питания коммутатора, который медленно включается. На рис. 11 предложена схема, в которой роль коммутатора играет P-МОП транзистор. RC-цепочка обеспечивает медленное изменение сигнала на базе транзистора. Диод D быстро разряжает конденсатор после того, как модуль был выключен.

Рис. 11. Схема медленного включения модуля с использованием транзистора

Предполагается, что транзистор имеет малое сопротивление во включенном состоянии. При работе рассеиваемая на транзисторе мощность невелика из-за небольшого падения напряжения. При необходимости можно параллельно включать несколько транзисторов.

В подключаемых модулях удобно использовать собственные источники питания.

На рис. 12 приведена схема источника питания, который получает из системы от десяти до сорока вольт и преобразует их импульсным способом в 5 В. Схема не дает броска напряжения при включении.

Рис. 12. Децентрализованный источник питания

Литература

1. Стешенко В. Б. Школа схемотехнического проектирования устройств обработки сигналов. // Компоненты и технологии, № , , 2000 г.
2. Стешенко В. Школа разработки аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС Chip News,1999, № 8–10, 2000, №1, 3–5 .
3. Стешенко В. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. М.: «Додека», 2000.
4. Alicke F., Bartholdy F., Blozis S., Dehemelt F., Forstner P., Holland N., Huchzermier J. Comparing Bus Solutions, Application Report, Texas Instruments, SLLA067, March 2000.
5. Стешенко В. ACCEL EDA: технология проектирования печатных плат. М.: «Нолидж», 2000, 512 с., ил.

ИНТЕРФЕЙС - это стандартизованная среда turn способ обмена информацией между двумя или более единицами оборудования: приборами, контроллерами, персональный компьютером и т.п.

Интерфейсы информационного обмена между приборами, применяемые в промышленности, могут быть двух типов:

«точка-точка», соединяющий два прибора между собой;

мультиприборный, позволяющий подключать более двух приборов на одну линию передачи данных.

Основная характеристика интерфейса - пропускная способность, которая показывает, сколько бит информации передается по интерфейсу за 1 секунду и измеряется в bit per second (bps, Mbps), или бит в секунду (бит/с, Мбит/с). Необходимо учитывать, что эта пропускная способность включает «накладные расходы», связанные со способом передачи данных. Для разных интерфейсов и протоколов доля полезной информации, передаваемой в секунду, может быть от 30 % до 90 % от общей пропускной способности.

ПРОТОКОЛ - это стандартизованный набор правил передачи информации по какому-либо интерфейсу.

Для сложных протоколов принята практика разделения их на несколько уровней (слоев). При этом каждый уровень реализуется отдельно и дополнительно стандартизуется обмен между уровнями. Это также позволяет заменять какие-то уровни (например, для адаптации к разным интерфейсам), оставляя неизменными другие.

Интерфейсы и протоколы, используемые в приборах и контроллерах

Интерфейс		Пропускная способность	Длина линии связи	Протоколы
	мультиприборный (до 32 приборов)	стандартно 115200 bps, есть реализации до 2 Mbps	не более 1200 м (без повторителя)
	точка-точка		не более 3м
«токовая петля»	точка-точка	до 115200 bps	не более 1000 м
Ethernet 10/100 base T (по витой паре)	точка-точка		не более 100 м
	точка-точка		не более 3 м	Mass Storage Device
	точка-точка

Совместимость приборов - это их способность осуществлять ин формационный обмен между собой. Каждый из приборов, участвующих в информационном обмене, должен иметь определенный интерфейс и понимать определенный протокол. И даже в этом случае не гарантируется возможность обмена, т.к. один прибор может оказаться неспособным передавать ту информацию, которую требуется получать другому. Но что делать, если приборы способны к передаче нужной информации, но имеют разные интерфейсы и/или понимают разные протоколы? В этом случае требуется применение преобразователей интерфейсов или шлюзов.

Преобразователь интерфейсов - это устройство, имеющее два или более различных интерфейсов, ретранслирующее информацию из одного интерфейса в другой (другие). При этом передача информации осуществляется без ее преобразования. Поэтому к преобразователю интерфейсов имеет смысл подключать только те устройства, которые способны работать по одному протоколу.

Шлюз (или мост) - это интеллектуальное устройство, способное к преобразованию данных из одного протокола в другой. При этом шлюз может выступать также и в качестве преобразователя интерфейсов. Шлюз, в отличие от преобразователя интерфейса, требует дополнительной настройки, т.к. ему требуется указать, какие данные по каким протоколам надо принимать и передавать.

Интерфейс RS -485. При проектировании промышленных систем автоматизации наибольшее распространение получили информационные сети, основанные на интерфейсе стандарта EIA RS-485. Это высокоскоростной и помехоустойчивый последовательный интерфейс, который позволяет создавать сети путем параллельного подключения многих устройств к одной физической линии.

Большинство приборов, предназначенных для работы в информационной сети, имеют встроенный интерфейс RS-485.

В обычном персональном компьютере (не промышленного исполнения) этот интерфейс отсутствует, поэтому для подключения к ПК промышленной сети RS-485 необходим специальный адаптер - преобразователь интерфейса RS-485/RS-232 или RS-485/USB (например, ОВЕН АСЗ-М или АС4).

По интерфейсу RS-485 данные передаются с помощью «симметричного» (дифференциального) сигнала по двум линиям (А и В). Максимальная длина линии связи между крайними устройствами может составлять до 1200 м (и более с использованием повторителей). При длине линии связи более 100 м в максимально удаленных друг от друга точках сети рекомендуется устанавливать оконечные согласующие резисторы номиналом от 100 до 250 Ом, позволяющие компенсировать волновое сопротивление кабеля и минимизировать амплитуду отраженного сигнала. Количество приборов в сети не должно превышать 32 (без использования повторителя).

Интерфейс RS -232. Интерфейс стандарта EIA RS-232C предназначен для последовательной связи двух устройств (соединение «точка-точка»). Он является общепринятым и широко используется для подсоединения внешнего оборудования к ПК. Передача данных по интерфейсу RS-232C осуществляется с помощью «несимметричного» сигнала по двум линиям - TxD и RxD, а амплитуда сигнала измеряется относительно линии GND («нуля») (см. рис.).

Несимметричность сигнала обуславливает низкую помехозащищенность данного интерфейса, особенно при промышленных помехах, поэтому длина линии связи RS-232, как правило, ограничена расстоянием в несколько метров. Наличие линий приема (RxD) и передачи (TxD) данных позволяет поддерживать полнодуплексную передачу информации, т.е. одновременно информация может как передаваться, так и приниматься. Устройства для связи по интерфейсу RS-232 обычно соединяются кабелем с 9-контактными или 25-контактными разъемами (DB9, DB25 и др.).

Интерфейс «токовая петля» (разновидность RS-232). «Токовая петля» - разновидность интерфейса RS-232, также обеспечивающая связь двух приборов (соединение «точка-точка»). Информация в токовой петле передается не напряжением, а током по двухпроводной линии, что обеспечивает высокий уровень помехозащищенности. Стандарт «токовая петля» позволяет передавать данные на расстояния до 1000 м со скоростью до 19,2 кбит/с. Из-за наличия одной линии связи стандартом обеспечивается полудуплексная передача данных, т.е. в каждый момент времени информация может либо передаваться, либо приниматься.

Приборы могут иметь встроенный интерфейс «токовая петля», которые могут быть подключены:

1) к ПК через адаптер «токовая петля»/RS-232;

2) к сети RS-485 через шлюз «токовая петля»/RS-485.

Рис. Типовые схемы подключения приборов с интерфейсом

«токовая петля» к сети

Интерфейс Ethernet . Ethernet - транспортная технология для передачи данных в вычислительных сетях, преимущественно локальных. Протокол, используемый в кабельных сетях Ethernet - CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) - Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов. В соответствии с этим протоколом устройства начинают передачу данных только после обнаружения свободного канала связи для сокращения между ними количества коллизий (ошибок). Все версии семейства Ethernet ориентированы на поддержку работы до 1024 узлов сети. Этот интерфейс получил широкое распространение в компьютерных сетях благодаря высокой пропускной способности и помехоустойчивости. Чаще используется встроенный интерфейс Ethernet 10/100 Base-T, что позволяет встраивать приборы и ПЛК в распределенные информационные системы более высокого уровня.

Интерфейс USB . Стандарт USB разработан как альтернатива более «медленным» компьютерным стандартам RS-232 и LPT. В настоящее время устройства с интерфейсом USB 2.0 позволяют передавать данные со скоростью до 480 Мбит/с.

Интерфейс USB, как и RS-48S, является симметричным и позволяет передавать данные по двум проводам (D+ и D-), при этом логические уровни аналогичны соответствующим уровням стандарта RS-485. Интерфейс USB имеет линии питания Vcc и GND для запитывания подключенного устройства (при условии, что потребляемый им ток не превышает 500 мА). После установки драйвера операционная система распознает подключаемое устройство как СОМ-порт и использует стандартный асинхронный режим передачи данных, применяемый для работы с аппаратным СОМ-портом.

Интерфейсы передачи данных развиваются так быстро, что производителям систем хранения данных сложно за ними успевать. Каждый год появляются интерфейсы, позволяющие достичь скорости передачи данных во много раз большей, чем уже существующие устройства. Коммутаторы и сетевые адаптеры начинают поддерживать новейшие скоростные интерфейсы задолго до того, как они становятся доступными в системах хранения данных.

В таблице ниже показано развитие пропускных способностей интерфейсов подключения СХД на временной шкале.

Тенденции развития интерфейсов

Ниже описаны предполагаемые годы появления новых скоростей передачи данных для различных интерфейсов, основанные на исследованиях отрасли. История показывает, что для многих интерфейсов цикл разработки новых стандартов составляет 3-4 года.

Стоит отметить, что с момента утверждении спецификации нового интерфейса и до появления на рынке поддерживающих его продуктов проходит обычно несколько месяцев. Широкое распространение нового стандарта может затянуться на несколько лет.

Также сейчас ведется работа по разработке версий уже существующих интерфейсов с пониженным энергопотреблением.

Fibre Channel

32Gbps FC (32GFC)

Работа над стандартом 32GFC, FC-PI-6, началась в начале 2010 года. В декабре 2013 ассоциация Fibre Channel Industry Association (FCIA) сообщила о завершении работы над спецификацией. Ожидается, что продукты, поддерживающие этот интерфейс, появятся на рынке в 2015 или 2016 годах. 32GFC будет использовать 25/28G SFP+ коннектор.

Мультиканальный интерфейс FC 128Gb, известный как 128FCp (параллельный четырехканальный), основывается на технологии FC 32Gb и добавлен в официальный план развития стандарта FC. Комитет T11 присвоил проекту название FC-PI-6P. Завершение спецификации планируется на конец 2014 - начало 2015 года, продукты станут доступны в 2015 или 2016 году. 128GFCp, вероятно, будет использовать коннекторы QSFP+, возможна также поддержка CFP2 или CFP4 коннекторов.

Некоторые производители представляют 32GFC и 128GFC как «Gen 6» Fibre Channel, так как эта версия поддерживает 2 различные скорости передачи данных в двух различных конфигурациях (последовательной и параллельной).

64Gbps FC (64GFC), 256Gbps FC (256GFC)

Разработка стандартов 64GFC и 256GFC началась в проекте FC-PI-7. Техническая стабильность ожидается в 2017 году. Каждая ревизия FC обратно совместима как минимум с двумя предыдущими поколениями.

FC как интерфейс SAN

По-видимому, Fibre Channel в обозримом будущем будет оставаться основной технологией для построения сетей SAN. За прошедшие годы в инфраструктуру FC были инвестированы значительные средства (миллиарды долларов США), в основном, в центры обработки данных, которые будут функционировать в течение еще многих лет.

FC как дисковый интерфейс

Fibre Channel как интерфейс для подключения дисков уходит в прошлое, так как производители дисков корпоративного класса переходят на 6Gbps SAS и 12Gbps SAS. Из-за довольно большого объема выпущенных 3.5-дюймовых дисков с интерфейсом FC, использующихся в корпоративных дисковых подсистемах, ожидается, что FC будет использоваться еще некоторое время для их поддержки. Среди 2.5-дюймовых дисков интерфейс Fibre Channel, скорее всего, будет доступен на очень небольшом числе устройств.

Fibre Channel over Ethernet

FCoE (FC-BB-6)

Работа над стандартом FC-BB-6 была завершена комитетом T11 в августе 2014 года. FC-BB-6 стандартизирует архитектуру VN2VB и улучшает масштабируемость Domain_ID.

VN2VN — это способ соединить напрямую конечные узлы FCoE (Virtual N_Ports) без необходимости в FC или FCoE коммутаторах (FC Forwarders), что позволяет упростить конфигурацию в небольших размещениях. Эту идею иногда называют «Ethernet Only» FCoE. В таких сетях не требуется зонирование, что дает меньшую сложность и уменьшает расходы.

Масштабируемость Domain_ID (Domain_ID Scalability) позволяет FCoE фабрикам масштабироваться до более крупных SAN.

40Gbps и 100Gbps

До появления 40Gbps FCoE остался год или два. Возможно, интерфейс появится одновременно с 32Gb FC. Стандарты IEEE 802.3ba 40Gbps и 100Gbps Ethernet были ратифицированы в июне 2010. Новые продукты должны появиться через некоторое время.

Скорее всего, 40Gbps и 100Gbps FCoE, основанные на стандартах Ethernet 2010 года, будут использоваться первоначально для ISL-ядер, тем самым оставляя 10Gb FCoE в основном для конечных соединений. Ожидается, что будущие версии 100GFCoE кабелей и коннекторов будут доступны в конфигурациях 10х10 и затем 4х25.

InfiniBand

В настоящее время продукты, использующие 100Gbps Infiniband EDR (Enchanced Data Rate) уже доступны в продаже. EDR использует коннекторы 25/28G SFP+, так же как интерфейсы Ethernet и Fibre Channel.

InfiniBand High Data Rate (HDR), поддерживающий скорость в 2 раза больше, чем EDR, ожидается в 2017 или 2018 году. Хост-адаптеры HDR, возможно, будут требовать наличие PCIe 4.0 слотов.

Ethernet

В июле 2014 года 2 различные отраслевые группы — 20G/50G Ethernet Consortium и IEEE 802.3 25Gb/s Ethernet Study Group — объявили о начале новой работы над спецификацией Ethernet для использования преимуществ 25Gb PHY в однополосной конфигурации. В результате была получена спецификация однополосного соединения, похожего на существующую 10GbE технологию, но в 2.5 раза быстрее. Продукты, использующие эти технологии уже доступны. Также планируется разработка стандарта 50GbE, использующего 2 полосы 25GbE. Окончание спецификации планируется в 2018-2020 году.

В разработке находятся стандарты 2.5GbE и 5GbE, которые позволяют увеличивать пропускную способность сети без дополнительных затрат благодаря использованию кабелей категории 5e. Организация NBASE-T Alliance выпустила версию 1.1 спецификацию NBASE-T, которая описывает реализацию на физическом уровне. Technical Working Group работает над спецификацией для системного интерфейса PHY-MAC, магнитными и канальными характеристиками. Кроме того, работники 25 компаний участвуют в разработке стандартов IEEE 802.3bz 2.5/5GBASE-T. Продукты, поддерживающие 2.5GbE и 5GbE уже появляются на рынке.

SAS

12Gbps SAS

Спецификация SAS 3, включающая в себя 12Gbps SAS, была отправлена в INCITS в 4 квартале 2013 года. Продукты на 12Gbps SAS для конечных пользователей начали появляться во второй половине 2013, включая SSD, сетевые адаптеры (SAS HBA) и RAID-контроллеры. 12Gbps SAS позволяет использовать все преимущества шины PCIe 3.0.

24Gbps SAS

Спецификация интерфейса 24Gbps SAS сейчас в разработке. По прогнозам, первые компоненты, использующие 24Gbps SAS могут появиться в 2016 или 2017 году, первые продукты для пользователей будут доступны в 2018. 24Gbps SAS разрабатывается из расчета полной совместимости с 12Gbps и 6Gbps SAS. Возможно, будет использована другая схема кодирования.

Прототипы интерфейса 24Gbps SAS будут использовать технологию PCIe 3.x, однако, вероятно, что финальные продукты будут задействовать технологию PCIe 4.x.

SCSI Express

SCSI Express реализует хорошо известный протокол SCSI через интерфейс PCI Express, уменьшая задержку за счет использования PCIe. Он разрабатывается для соответствия улучшенной скорости SSD дисков. SCSI Express использует протоколы SCSI over PCIe (SOP) и PCIe Queueing Interface (PQI), создавая SOP-PQI протокол. Контроллеры соединяются с устройствами с помощью коннектора SFF-8639, который поддерживает множество протоколов и интерфейсов, таких как PCIe, SAS и SATA. SCSI Express поддерживает PCIe устройства, использующие до 4х полос.

SCSI Express впервые был предложен в 2011 году и принят в работу в качестве формального проекта в 2012, но не развивался до 2015 года. Пока не известно, когда первые продукты SCSI Express будут выпущены на рынок.

Возможности подключения SAS

Новые возможности подключения SAS позволяют передавать данные на большие расстояния, благодаря использованию активных медных патч-кордов и оптоволоконных кабелей. Коннектор Mini SAS HD (SFF-8644) может быть использован для 6Gbps SAS и 12Gbps SAS.

В будущем ожидаются такие возможности, как поддержка набора команд Zoned Block Commands (ZBC) и технологии записи для дисков увеличенного объема Shingled Magnetic Recording (SMR).

SATA Express

Спецификация SATA Express включается в SATA версии 3.2. SATA Express позволяет сосуществовать клиентским SATA и PCIe решениям. SATA Express позволяет увеличить скорость передачи до 2 полос PCIe (2GBps для PCIe 3.0 и 1GBps для PCIe 2.0) по сравнению с текущей технологией SATA (0.6GBps). Такая скорость подходит для SSD и SSHD, в то время как обыкновенные HDD-диски могут продолжать использовать существующий SATA интерфейс. Каждое устройство может использовать PCIe или SATA коннектор, но не оба одновременно. Отдельный сигнал, порождаемый устройством, говорит хосту, является устройство SATA или PCI Express. На середину 2015 года SATA Express поддерживается очень небольшим количеством материнских карт. Пока не понятно, будет ли SATA Express принят рынком, в ближайшее время не стоит ожидать появления большого числа продуктов.

Новые возможности SATA

Среди новых возможностей, которые запланированы на будущее, можно отметить такие опции корпоративного уровня, как удаленное отключение питания, улучшенное восстановление массива и оптимизации для устройств, работающих на NAND флеш-памяти. Также планируется поддержка технологии SMR (Shingled Magnetic Recording).

Thunderbolt

Thunderbolt 2 был представлен в конце 2013 года, сейчас выпускается множество устройств, использующих данный интерфейс. Скорость передачи данных Thunderbolt 2 составляет 20 Gbps.

Thunderbolt 3 (40 Gbps) был анонсирован в июне 2015 года. Используется кабель USB type-C, который поддерживает USB 3.1 (10 Gbps), Display Port (двойные 4k дисплеи), 4 полосы PCI Express 3.0 и предыдущие версии Thunderbolt. В дополнение, предоставляется 15 ватт для питания подключенных устройств и поддерживается питание USB для зарядки портативных компьютеров до 100 ватт. Активные медные и оптоволоконные кабели поддерживают скорость передачи данных до 40 Gbps. Менее дорогие пассивные медные кабели поддерживают скорость до 20 Gbps. Ожидается появление первых продуктов, использующих Thunderbolt 3, в конце 2015 года. Намного больше устройств станут доступны в 2016 году.

USB

USB 3.1

В июле 2013 года USB 3.0 Promoter Group объявила о создании спецификации USB 3.1. Новый интерфейс позволяет работать со скоростью 10 Gbps и полностью совместим с предыдущими версиями USB. USB 3.1 использует схему кодирования 128b/132b, в которой 4 бита используются для управления протоколом и передачи информации о кабеле. Устройства, использующие USB 3.1 с новым кабелем Type-C уже появились на рынке.

Питание USB

USB является интерфейсом с возможностью питания подключенных устройств и появляется все больше устройств, заряжающихся или работающих от USB. Спецификация USB Power Delivery (PD) версии 1.0 появилась в июле 2012 года. В ней было предложено увеличить мощность питания с 7.5 ватт до 100 ватт в зависимости от типа кабеля и коннектора. Устройства должны договариваться друг с другом для определения напряжения и силы тока для передачи электроэнергии, причем возможно передавать энергию в любом направлении. Устройства могут корректировать мощность питания во время передачи информации. Прототипы устройств с USB PD начали появляться в конце 2013 года. Спецификация USB PD включена в спецификацию USB 3.1.

Кабель USB Type-C

Спецификация нового кабеля и коннектора была завершена в августе 2014 года. Этот кабель имеет существенно отличающийся дизайн с уменьшенным размером коннектора, который легко может применяться в различных устройствах. В соответствии с новой спецификацией кабель и коннектор могут быть использованы в любом положении, независимо от ориентации коннектора и направления кабеля. Кабель имеет один и тот же тип коннектора с обеих сторон. Первые Type-C USB кабели представляют собой пассивные медные кабели длиной до 1 м, скоро ожидается появление активных медных и оптоволоконных кабелей.