Vmesniki strojne opreme

Vmesnik (interakcija) je povezava med komponentami in udeleženci v mikroprocesorskem sistemu.

V mikroprocesorski sistem vključuje: strojno opremo, programsko opremo in ljudi... Zato ločimo naslednje vrste vmesnikov:

• vmesnik strojne opreme;

• programski vmesnik;

• Uporabniški vmesnik.

Programski vmesnik, ki ga zagotavlja operacijski sistem (če obstaja). Najpogostejša uporabniška vmesnika sta grafični vmesnik (na primer namizje računalnika z ikonami ali ukaznimi gumbi v urejevalniku Microsoft Office Word) in vmesnik s krmilno palico, kjer z navigacijo po menijih izberemo ukaz, ki ga potrebujemo (na primer mobilni telefoni). , programabilni krmilniki), ki je tudi vrsta GUI.

Vmesnik strojne opreme je sistem vodil, priključkov, ujemajočih se naprav, algoritmov in protokolov, ki zagotavljajo komunikacijo med vsemi deli mikroprocesorskega sistema. Učinkovitost in zanesljivost sistema sta odvisni od značilnosti vmesnika.

V vgrajenih mikroprocesorskih sistemih vmesnik strojne opreme zagotavljajo krmilniki razbremenitve CPU.Krmilnik Je specializirano mikrovezje, namenjeno izvajanju nadzornih in nadzornih funkcij. Krmilnik upravlja delovanje naprave, na primer trdi disk, pomnilnik z naključnim dostopom, tipkovnico in zagotavlja povezavo te naprave z drugimi udeleženci v MS.

Pnevmatike krmilijo mostovi ... V zapletenih MS, na primer, kot je osebni računalnik, osrednje mesto zaseda «ChipSet» (ChipSet) - niz mostov in krmilnikov. Nabor čipov vsebuje dva glavna čipa, ki se tradicionalno imenujeta južni most in severni most (slika 1). Severni most služi sistemskemu vodilu, pomnilniškemu vodilu, AGP (pospešena grafična vrata) in je glavni krmilnik računalnika. Južni most skrbi za delo z zunanjimi napravami (PCI vodilo — V/I vodilo za povezovanje perifernih naprav).

Slika 1 — Organizacije za izmenjavo podatkov v osebnih računalnikih (PC)

Organizacija interakcije med procesorjem in zunanjimi napravami je najtežja zaradi njihove velike raznolikosti.

Za vzporedne vmesnike je značilno, da za prenos bitov uporabljajo ločene signalne linije, ti pa se prenašajo sočasno. Klasični vzporedni vmesnik so vrata LPT.

Vmesnik za serijski prenos podatkov uporablja eno samo signalno linijo, po kateri se zaporedno drug za drugim prenašajo bitovi informacij.

Najenostavnejši serijski vmesnik, ki se je razširil tako v računalnikih kot v industrijskih sistemih, je standard RS-232, ki ga izvajajo COM — vrata... V industrijski avtomatizaciji se široko uporablja RS-485.

Vodilo USB (Universal Serial Bus) povezuje široko paleto perifernih naprav z vašim računalnikom, vključno z mobilnimi telefoni in potrošniško elektroniko.

Prva specifikacija vmesnika se imenuje USB 1.0, trenutno se uporablja specifikacija USB 2.0, sodobne naprave se povezujejo s specifikacijo USB 3.0.

Standard USB 2.0 vsebuje štiri linije: sprejem in prenos podatkov, napajalnik +5 V in ohišje. Poleg teh USB 3.0 doda še štiri komunikacijske linije (2 za sprejem in dve za oddajo) in ohišje.

Vodilo USB ima visoko pasovno širino (USB 2.0 zagotavlja največjo hitrost prenosa podatkov do 480 Mbps, USB 3.0 — do 5,0 Gbps) in omogoča ne le prenos podatkov, temveč tudi napajanje zunanjih naprav z nizko porabo energije (največji tok poraba naprave prek napajalnih vodov vodila USB ne sme presegati 500 mA za USB 2.0 in 900 mA za USB 3.0), kar odpravlja potrebo po zunanjih napajalnikih.

Brezžični (brezžični) vmesniki vam omogočajo, da se odmaknete od komunikacijskih kablov, kar je še posebej pomembno za naprave majhnih dimenzij, po velikosti in teži primerljive s kabli. Uporaba brezžičnih vmesnikov elektromagnetni valovi infrardeči (IrDA) in radijski frekvenčni razponi (Bluetooth, brezžični USB).

Infrardeči IrDA vmesnik omogoča brezžično komunikacijo med dvema napravama na razdalji do 1 metra. Infrardeča komunikacija - IR (infrardeča) povezava - varna za zdravje, ne povzroča motenj v radiofrekvenčnem območju in zagotavlja zasebnost prenosa. Infrardeči žarki ne prehajajo skozi stene, zato je sprejemno območje omejeno na majhno, enostavno nadzorovano območje.

Bluetooth (modri zob) je nizkoenergijski radijski vmesnik (moč oddajnika le približno 1 mW) za organizacijo osebnih omrežij, ki zagotavlja prenos podatkov v realnem času na kratke razdalje. Vsaka naprava Bluetooth ima radijski oddajnik in sprejemnik 2,4 GHz. Domet radijskega vmesnika je približno 100 m — za pokrivanje standardne hiše.

Brezžični USB (brezžični USB) — radijski vmesnik kratkega dosega z visoko pasovno širino: 480 Mbps na razdalji do 3 metrov in 110 Mbps na razdalji do 10 metrov. Deluje v frekvenčnem območju 3,1 — 10,6 GHz.

Vmesnik RS-232 (RS — priporočeni standard) povezuje dve napravi — računalnik in napravo za prenos podatkov. Hitrost prenosa je 115 Kbps (maksimalno), razdalja prenosa je 15 m (maksimalno), povezovalna shema je točka-točka.

Signali iz tega vmesnika se prenašajo s padcem napetosti (3 … 15) V, zato je dolžina komunikacijske linije RS-232 zaradi nizke odpornosti na hrup praviloma omejena na razdaljo nekaj metrov. Najpogosteje se uporablja v industrijski opremi, v osebnem računalniku se uporablja za povezavo manipulatorja tipa "miška", modema. Vmesnik RS-232 na splošno ne omogoča mreženja, saj povezuje le 2 napravi.

Slika 2 — Priključek RS-232 tipa DB9

Vmesnik RS-485 je široko uporabljen industrijski serijski vmesnik visoke hitrosti proti motnjam za dvosmerni prenos podatkov. Skoraj vsi sodobni računalniki v industrijskem dizajnu, večina senzorjev in pogonov vsebujejo eno ali drugo izvedbo vmesnika RS-485.

Za prenos in sprejem podatkov zadošča en sukani par žic (twisted pair).Prenos podatkov poteka z uporabo diferencialnih signalov (izvirni signal gre po eni žici, njegova povratna kopija pa po drugi). Razlika napetosti ene polarnosti med žicami pomeni logično enoto, razlika druge polarnosti pa nič.

V prisotnosti zunanjih motenj so odcepi v sosednjih žicah enaki in ker je signal potencialna razlika v žicah, raven signala ostane nespremenjena. To zagotavlja visoko odpornost proti hrupu in skupno dolžino komunikacijske linije do 1 km (in več z uporabo posebnih naprav - repetitorjev).

Vmesnik RS-485 omogoča izmenjavo podatkov med več napravami po dvožilni komunikacijski liniji v poldupleksnem načinu (sprejem in prenos potekata po enem paru časovno ločenih žic). Široko se uporablja v industriji za ustvarjanje sistemov za nadzor procesov.

Ethernet (ether — eter) — tehnologija prenosa podatkov, ki se uporablja v večini lokalnih računalniških omrežij. Ta vmesnik temelji na standardu IEE 802.3.Medtem ko lahko vmesnik RS-485 obravnavamo na podlagi enega proti mnogo, Ethernet deluje na osnovi mnogo proti mnogo.

Obstaja več možnosti glede na bitno hitrost in prenosni medij:

• Ethernet — 10 Mbps

• Fast Ethernet — 100 Mbps

• Gigabit Ethernet — 1 Gbps

• 10 Gigabit Ethernet

Kot prenosni medij se uporabljajo koaksialni kabel, sukani par (nizka cena, visoka odpornost proti hrupu) in optični kabel (ustvarjanje daljših linij in hitrih komunikacijskih kanalov).

Zvit par (zvit par) — vrsta komunikacijskega kabla, je eden ali več parov izoliranih žic, zvitih skupaj in prekritih s plastičnim plaščem.

Na primer kabel FTP (sukani par — sukani par s skupnim oklopom iz folije in bakrenim vodnikom za odvajanje induciranih tokov), 4 pari (polni), kategorija 5e (slika 3). Kabel je namenjen stacionarni vgradnji v zgradbe, objekte in delo v strukturiranih kabelskih sistemih. Zasnovan za aplikacije, ki delujejo v frekvenčnem območju z zgornjo mejo 100 MHz.

Slika 3 — sukani par: 1 — zunanji ovoj, 2 — folijski ščit, 3 — odvodna žica, 4 — zaščitna folija, 5 — sukani par

Na fizični ravni je Ethernet protokol implementiran v obliki omrežnih kartic, vgrajenih v mikroprocesorske sisteme in vozlišča, ki povezujejo sisteme med seboj.

Na osnovi Etherneta so zgrajena industrijska omrežja (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink), ki uspešno konkurirajo doslej razvitim omrežjem Profibus, DeviceNet, CANopen itd.