Hardvérové ​​rozhrania

Rozhranie (interakcia) je spojenie medzi komponentmi a účastníkmi mikroprocesorového systému.

V mikroprocesorový systém zahŕňa: hardvér, softvér a ľudí... Preto sa rozlišujú tieto typy rozhraní:

• hardvérové ​​rozhranie;

• softvérové ​​rozhranie;

• používateľské rozhranie.

Programovacie rozhranie poskytované operačným systémom (ak existuje). Najbežnejšími používateľskými rozhraniami sú grafické rozhranie (napríklad pracovná plocha počítača s ikonami alebo príkazovými tlačidlami v editore Microsoft Office Word) a rozhranie joysticku, kde si vyberáme príkaz, ktorý potrebujeme pohybom v ponukách (napríklad mobilné telefóny , programovateľné ovládače), čo je tiež typ GUI.

Hardvérové ​​rozhranie je systém zberníc, konektorov, zodpovedajúcich zariadení, algoritmov a protokolov, ktoré zabezpečujú komunikáciu medzi všetkými časťami mikroprocesorového systému. Výkon a spoľahlivosť systému závisia od vlastností rozhrania.

Vo vstavaných mikroprocesorových systémoch je hardvérové ​​rozhranie poskytované radičmi odľahčenia CPU.Ovládač Je to špecializovaný mikroobvod určený na vykonávanie monitorovacích a riadiacich funkcií. Ovládač riadi činnosť zariadenia, napríklad pevného disku, pamäte s náhodným prístupom, klávesnice a zabezpečuje spojenie tohto zariadenia s ostatnými účastníkmi MS.

Pneumatiky sú ovládané mostíkmi... V zložitých MS, ako je napríklad osobný počítač, je centrálne miesto obsadené «ChipSet» (ChipSet) - súborom mostíkov a ovládačov. Čipová súprava obsahuje dva hlavné čipy, ktoré sa tradične nazývajú južný most a severný most (obrázok 1). Northbridge obsluhuje systémovú zbernicu, pamäťovú zbernicu, AGP (zrýchlený grafický port) a je hlavným radičom počítača. Južný mostík zvláda prácu s externými zariadeniami (PCI zbernica — I/O zbernica na pripojenie periférnych zariadení).

Obrázok 1 – Organizácie na výmenu údajov v osobných počítačoch (PC)

Organizácia interakcie medzi procesorom a externými zariadeniami je najťažšia kvôli ich veľkej rozmanitosti.

Paralelné rozhrania sa vyznačujú tým, že na prenos bitov používajú samostatné signálové vedenia a bity sa prenášajú súčasne. Klasickým paralelným rozhraním je LPT port.

Rozhranie sériového prenosu dát využíva jedinú signálovú linku, cez ktorú sa postupne prenášajú bity informácií jeden po druhom.

Najjednoduchším sériovým rozhraním, ktoré sa rozšírilo ako v počítačoch, tak aj v priemyselných systémoch, je štandard RS-232, ktorý je implementovaný pomocou COM — portov... V priemyselnej automatizácii je široko používaný RS-485.

Zbernica USB (Universal Serial Bus) pripája k počítaču širokú škálu periférnych zariadení vrátane mobilných telefónov a spotrebnej elektroniky.

Prvá špecifikácia rozhrania sa nazýva USB 1.0, v súčasnosti sa používa špecifikácia USB 2.0, moderné zariadenia sú pripojené k špecifikácii USB 3.0.

Štandard USB 2.0 obsahuje štyri linky: príjem a prenos dát, +5 V napájanie a puzdro. Okrem nich USB 3.0 pridáva ďalšie štyri komunikačné linky (2 na príjem a dve na vysielanie) a puzdro.

USB zbernica má veľkú šírku pásma (USB 2.0 poskytuje maximálnu rýchlosť prenosu dát až 480 Mbps, USB 3.0 — až 5,0 Gbps) a poskytuje nielen prenos dát, ale aj napájanie externých zariadení s nízkou spotrebou (maximálny prúd spotreba zariadenia cez napájacie vedenia USB zbernice, by nemala presiahnuť 500 mA pre USB 2.0 a 900 mA pre USB 3.0), čo eliminuje potrebu externých napájacích zdrojov.

Bezdrôtové (bezdrôtové) rozhrania vám umožňujú vzdialiť sa od komunikačných káblov, čo je dôležité najmä pri zariadeniach malých rozmerov, rozmerov a hmotnosti porovnateľných s káblami. Používanie bezdrôtových rozhraní elektromagnetické vlny infračervené (IrDA) a rádiofrekvenčné rozsahy (Bluetooth, bezdrôtové USB).

Infračervené rozhranie IrDA umožňuje bezdrôtovú komunikáciu medzi dvoma zariadeniami na vzdialenosť až 1 meter. Infračervená komunikácia - IR (infračervené) pripojenie - bezpečné pre zdravie, nespôsobuje rušenie v rádiovom frekvenčnom rozsahu a zabezpečuje súkromie prenosu. Infračervené lúče neprechádzajú stenami, takže oblasť príjmu je obmedzená na malú, ľahko ovládateľnú oblasť.

Bluetooth (modrý zub) je nízkoenergetické rádiové rozhranie (výkon vysielača len asi 1 mW) na organizovanie osobných sietí poskytujúcich prenos dát v reálnom čase na krátke vzdialenosti. Každé zariadenie Bluetooth má 2,4 GHz rádiový vysielač a prijímač. Dosah rádiového rozhrania je cca 100 m — na pokrytie štandardného domu.

Bezdrôtové USB (USB wireless) — rádiové rozhranie krátkeho dosahu s vysokou šírkou pásma: 480 Mbps na vzdialenosť do 3 metrov a 110 Mbps na vzdialenosť do 10 metrov. Pracuje vo frekvenčnom rozsahu 3,1 — 10,6 GHz.

Rozhranie RS-232 (RS – odporúčaný štandard) spája dve zariadenia – počítač a zariadenie na prenos údajov. Prenosová rýchlosť je 115 Kbps (maximum), prenosová vzdialenosť je 15 m (maximum), schéma pripojenia je point-to-point.

Signály z tohto rozhrania sa prenášajú pri úbytku napätia (3 … 15) V, preto je dĺžka komunikačnej linky RS-232 z dôvodu nízkej odolnosti voči rušeniu spravidla obmedzená na vzdialenosť niekoľkých metrov. Najčastejšie sa používa v priemyselných zariadeniach, v osobnom počítači sa používa na pripojenie manipulátora typu "myš", modemu. Rozhranie RS-232 vo všeobecnosti neumožňuje sieťové pripojenie, pretože spája iba 2 zariadenia.

Obrázok 2 — Konektor RS-232 typu DB9

Rozhranie RS-485 je široko používané vysokorýchlostné priemyselné sériové rozhranie proti rušeniu pre obojsmerný prenos dát. Takmer všetky moderné počítače v priemyselnom dizajne, väčšina snímačov a pohonov obsahuje jednu alebo druhú implementáciu rozhrania RS-485.

Na prenos a príjem dát postačuje jeden krútený pár vodičov (twisted pair).Prenos dát sa vykonáva pomocou diferenciálnych signálov (pôvodný signál ide na jeden vodič a jeho spätná kópia je na druhom). Rozdiel napätia jednej polarity medzi vodičmi znamená logickú jednotku, rozdiel druhej polarity znamená nulu.

V prípade vonkajšieho rušenia sú odbočky v susedných vodičoch rovnaké a keďže signálom je potenciálny rozdiel v vodičoch, úroveň signálu zostáva nezmenená. To poskytuje vysokú odolnosť proti šumu a celkovú dĺžku komunikačnej linky až 1 km (a viac pri použití špeciálnych zariadení — opakovačov).

Rozhranie RS-485 zabezpečuje výmenu dát medzi viacerými zariadeniami po dvojvodičovej komunikačnej linke v poloduplexnom režime (príjem a prenos prechádza cez jeden pár časovo oddelených vodičov). Je široko používaný v priemysle na vytváranie systémov riadenia procesov.

Ethernet (ether — ether) — technológia prenosu dát používaná vo väčšine lokálnych počítačových sietí. Toto rozhranie je založené na štandarde IEE 802.3. Zatiaľ čo rozhranie RS-485 možno považovať na princípe jeden k mnohým, Ethernet funguje na princípe mnoho k mnohým.

Existuje niekoľko možností v závislosti od bitovej rýchlosti a prenosového média:

• Ethernet - 10 Mbps

• Rýchly Ethernet - 100 Mbps

• Gigabit Ethernet - 1 Gbps

• 10 Gigabit Ethernet

Ako prenosové médium sa používa koaxiálny kábel, krútená dvojlinka (nízka cena, vysoká odolnosť voči šumu) a optický kábel (vytvorenie dlhších liniek a vysokorýchlostných komunikačných kanálov).

Twisted pair (krútený pár) — typ komunikačného kábla, je jeden alebo viac párov izolovaných vodičov skrútených dohromady a pokrytých plastovým plášťom.

Napríklad kábel FTP (krútený pár – krútený pár so spoločným fóliovým tienením a medeným vodičom na odvod indukovaných prúdov), 4 páry (plný), kategória 5e (obrázok 3). Kábel je určený na stacionárnu inštaláciu v budovách, konštrukciách a na prácu v štruktúrovaných káblových systémoch. Určené pre aplikácie pracujúce vo frekvenčnom rozsahu s hornou hranicou 100 MHz.

Obrázok 3 – krútený pár: 1 – vonkajší plášť, 2 – fóliový štít, 3 – drenážny drôt, 4 – ochranný film, 5 – krútený pár

Na fyzickej úrovni je protokol Ethernet implementovaný vo forme sieťových kariet zabudovaných do mikroprocesorových systémov a rozbočovačov, ktoré systémy navzájom spájajú.

Na báze Ethernetu sú postavené priemyselné siete (Profinet, EtherNet / IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink), ktoré úspešne konkurujú skôr vyvinutým sieťam Profibus, DeviceNet, CANopen atď.