Звуковой датчик к роботу схема. Акустический датчик работы механизма

При виде исправной амуниции
Как презренны все конституции.

И при железных дорогах лучше сохранять двуколку.

К. Прутков

В предыдущих занятиях школы мы рассмотрели пример выбора способа реализации алгоритма и некоторые особенности проектирования устройств обработки сигналов. Сегодняшнее занятие в школе мы посвятим вопросам выбора и использования стандартных протоколов и интерфейсов передачи данных, используемых в современной аппаратуре обработки сигналов.

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

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

В следующем занятии мы продолжим рассмотрение интерфейсов и особенностей применения логических ИС новых семейств.

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.

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

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

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.

В современном мире цифровых технологий их структура базируется на передаче информации между узлами и объектами определённой сети. Надёжность протоколов и способов, используемых при этом, зависит от того, каким образом реализована технология. В частности, это возложено на интерфейсы передачи данных.

Что это такое?

Как следует из официального определения, интерфейс передачи данных — это некая граница между двумя объектами или узлами, которые регламентируются особым принятым стандартом и реализуются с помощью установленных методов, средств и правил.

Говоря простым языком, это своеобразный переходник между узлами, который знает, как передавать данные, что при этом использовать и чего ждать в ответ.

Основные типы интерфейсов передачи данных

С одной из разновидностей сталкивался каждый пользователь компьютера. передачи данных Ethernet. Его первоначальное предназначение — коммуникация между офисными устройствами. Для реализации первых соединений применялась линейная топология, а также простой коаксиальный кабель. Сегодня же данный подход устарел. И теперь в основе сетей лежит топология «звезда», реализуемая и делимая на части маршрутизаторами и коммутаторами. В промышленных сетях по интерфейсу передачи данных Ethernet можно отправлять информацию со скоростями 10, 100 Мбит/с, и реже 1Гбит/с. Подобную производительность гарантирует такая передающая среда, как витая пара или оптоволокно.

Одной из особенностей интерфейса является наличие обязательного MAC адреса, который «вшит» в аппаратную часть оборудования. С помощью него происходит распознавание того узла, который отправил и получил данные. По сути, каждый адрес должен быть уникален. Для этого разработчики устройств делят между собой общее множество значений. За тремя старшими байтами в MAC адресе закреплён свой производитель.

Стоит отметить, что при регистрации MAC это происходит один раз при инициализации сетевого оборудования. Дальнейшее же хранение его ложится на плечи операционной системы. А это означает, что адрес в любой момент можно сменить.

USB

Ещё один часто встречающийся интерфейс последовательной передачи данных — Universal Serial Bus. Практически каждое современное устройство комплектуется той или иной его разновидностью, будь то микроверсия или мини.

Его главной особенностью является использование технологии Plug and Play. Это означает, что любое устройство с интерфейсом USB можно подключить и начать работать, в большинстве случаев избегая установки различных драйверов.

Также особым рядом идёт приведение многих разношёрстных разъёмов и стандартов к одному общему виду. Теперь можно присоединять к компьютеру джойстики, мыши, клавиатуры, жёсткие диски, принтеры и многое другое оборудование, используя один универсальный разъем.

Стоит отметить ещё один плюс USB — подачу питания на одном из контактов. Это позволило подключать внешние жёсткие диски и подобные устройства.

HDMI

Это тоже интерфейс передачи данных, позволяющий передавать медиаданные. В отличие от устаревшего VGA, он может работать не только с видео, но и со звуком. Данный стандарт обладает большой пропускной способностью. Поэтому он применяется для трансляции видео высокой чёткости. Кстати, аббревиатура HDMI именно так и расшифровывается — High Definition Multimedia Interface. Что означает интерфейс для мультимедиа высокой чёткости.

IrDA

Статья была бы не полной без описания интерфейсов передачи данных, позволяющих делать это беспроводным путем. И наверное, IrDA — первопроходец среди них.

Возможно, морально и технически он уже устарел, однако до сих пор встречается на самых разных архаичных устройствах. Его задача — соединить два аппарата с IrDA с помощью инфракрасного излучения. Ограничения стандарта не позволяют использовать его на больших расстояниях. Поэтому для передачи данных, например, между двумя телефонами, приходилось держать их на близком расстоянии друг от друга. Скорость передачи была очень низкой и находилась в диапазоне от 2400 до 115 200 bps.

Bluetooth

Bluetooth пришёл на смену инфракрасному порту и активно используется во многих устройствах для создания связи между ними. Это компьютерные мыши, телефоны, ноутбуки и много других устройств.

Радиус действия интерфейса официально заявлен в 100 метров. Однако на практике, наличие шумов и различных препятствий в виде стен сужают расстояние примерно до 10 метров. Средняя скорость передачи данных по интерфейсу Bluetooth составляет не более 3 Мбит/с.

Wi-Fi

Наверное, нет такого человека, который бы не слышал о данном интерфейсе передачи данных, позволяющем передавать информацию на больших скоростях и на удобных расстояниях.

Основное преимущество стандарта — беспроводное подключение. А это значительная экономия как пространства, так и денежных затрат на кабели и инфраструктуру.

Повсеместное распространение Wi-Fi привело к тому, что с ним поставляются сегодня даже лампочки. То есть интерфейс стал одним из самых популярных. С ним сталкиваются все при покупке нового устройства, будь то телевизор, смартфон или ноутбук.

Технические характеристики Wi-Fi постоянно улучшаются. Теоретически в идеальных условиях он может передавать данные со скоростью до 7 Гбит/с. Средняя же на обычных бытовых устройствах варьируется в пределах от 450 до 1300 Мбит/с при использовании нескольких антенн.

Минусы Wi-Fi

Несмотря на множество преимуществ, у интерфейса имеются и недостатки. Например, большинство устройств способно работать на частоте 2,4 ГГц. Однако многие средства а также некоторые бытовые приборы тоже имеют такой показатель. А это значительно влияет на качество передачи данных, что, в свою очередь, сказывается и на скорости. Однако в последних моделях устройств данную проблему уже решили путем добавления дополнительной рабочей частоты в 5 ГГц.

В России имеются небольшие проблемы с установкой адаптеров Wi-Fi, показатель электромагнитного излучения которых превышает 100 мВт, так как нужно их обязательно регистрировать.

ИНТЕРФЕЙС (interface). Совокупность правил взаимодействия устройств и программ между собой или с пользователем и средств, реализующих это взаимодействие. Понятие интерфейса включает в себя как сами аппаратные и программные средства, связывающие различные устройства или программы между собой или с пользователем, так и правила и алгоритмы, на основе которых эти средства созданы. Например, интерфейс устройств - это и линии связи между ними, и устройства сопряжения, и способ преобразования передаваемых от устройства к устройству сигналов и данных, и физические характеристики канала связи. Программный интерфейс - это и программы, обслуживающие передачу данных от одной задачи к другой, и типы данных, и список общих переменных и областей памяти, и набор допустимых процедур или операций и их параметров. Интерфейс пользователя с программой - это и изображенные на экране терминала кнопки, меню и другие элементы управления, с помощью которых пользователь управляет решением задачи, и сам терминал и предусмотренные в программе операторы, позволяющие такое управление осуществить.

Пользовательский интерфейс - в данной главе это значит общение между человеком и компьютером.

Во многих определениях, интерфейс отождествляется с диалогом, который подобен диалогу или взаимодействию между двумя людьми. И точно как наука и культура нуждается в правилах общения людей и взаимодействия их друг с другом в диалоге, также и человеко-машинный диалог также нуждается в правилах.

Общий Пользовательский Доступ - это правила, которые объясняют диалог в терминах общих элементов, таких как правила представления информации на экране, и правила интерактивной технологии такие, как правила реагирования человека-оператора на то, что представлено на экране.

КОМПОНЕНТЫ ИНТЕРФЕЙСА

На практическом уровне, интерфейс это набор стандартных приемов взаимодействия с техникой. На теоретическом уровне интерфейс имеет три основных компоненты:

· Способ общения машины с человеком-оператором.

· Способ общения человека-оператора с машиной.

· Способ пользовательского представления интерфейса.

МАШИНА К ПОЛЬЗОВАТЕЛЮ

Способ общения машины с пользователем (язык представления) определяется машинным приложением (прикладной программной системой). Приложение управляет доступом к информации, обработкой информации, представлением информации в виде понятном для пользователя.

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ К МАШИНЕ

Пользователь должен распознать информацию, которую представляет компьютер, понять (проанализировать) ее, и переходить к ответу. Ответ реализуется через интерактивную технологию, элементами которой могут быть такие действия как выбор объекта при помощи клавиши или мыши. Все это составляет вторую часть интерфейса, а именно язык действий.

КАК ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ ДУМАЕТ

Эту часть интерфейса составляет комплекс представлений пользователя о приложении в целом, что называется пользовательской концептуальной моделью .

Пользователи могут иметь представление о машинном интерфейсе, что он делает и как им работать. Некоторые из этих представлений формируются у пользователей в результате опыта работы другими машинами, такими как печатающее устройство, калькулятор, видеоигры, а также компьютерная система. Хороший пользовательский интерфейс использует этот опыт. Более развитые представления формируются от опыта работы пользователей с самим интерфейсом. Интерфейс помогает пользователям развивать представления, которые могут в дальнейшем использоваться при работе с другими прикладными интерфейсами.

Разработка пользовательского интерфейса: что это значит?
Дизайн сайта, расположение функциональных блоков, содержание и расположение контента производится таким образом, что пользователь подталкивается к совершению необходимого действия: звонок, написание комментария, совершение покупки, заказ товара и т.д. Стоит понимать, что поведение пользователей никак не корректируется и не изменяется. Трансформации подвергается сам сайт.
Пользовательский интерфейс – порядок расположения функциональных блоков сайта, способствующий совершению определенных действий пользователем. Это может быть звонок, покупка товара, написание отзыва. Такой же результат может обеспечить и оценка юзабилити. Но путать эти понятия не стоит: от пользовательского интерфейса юзабилити отличается тем, что это метод, позволяющий оценить удобство пользования сайтом и успех выполнения пользователем задач. В то время как проектирование интерфейсов – полностью готовый прототип сайта. Проектирование подразумевает использование результатов юзабилити. Без данных, полученных при применении этой методики, ничего не получится.