Какие интерфейсы для передачи данных могут использоваться. Проектирование устройств обработки сигналов. Основные типы интерфейсов передачи данных

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.

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 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.

Интерфейсы – это устройство, позволяющее производить обмен данными между источником и приемником.

Параллельный интерфейс .

Представляет собой n – разрядную шину, по которой параллельно вводятся или выводятся данные по линиям связей, каждая из которых имеет свой вес. По n-разрядной шине производится обмен данными между источником и приемником.

Допустим данные вводятся в ВУ из АЦП, тогда АЦП – источник, ВУ – приемник. Сигнал CS выбирается при совпадении адреса на ША установленного процесса и адреса присвоенного порту или устройству с которым происходит обмен данными. Устройства, адреса которых не совпадают с адресом устройств на ША, находятся в нейтральном состоянии («отдыхают»). Данные устанавливаются на ШД одновременно.

Данные маркируются по разрядам. В каждый разряд можно записать либо 0, либо 1. Номер разряда соответствует его весу. При объединении 4-х разрядов в 1-н знак, получим младший и старший разряд. Для того, что бы записать в разряд число, нужно сложить значение старшего и младшего разряда.

К параллельному интерфейсу относятся: внутренние шины (адресов, данных), интерфейс для принтера, для подключения внешних устройств, таких как ISA, PCI, AGP, LPT.

Достоинство: высокая скорость передачи информации.

Недостаток: Ограниченная длина линии связи, подверженность воздействию внешних помех, скорость передачи информации ограничена внутренней шиной.

Параллельные интерфейсы используются для обмена данными внутри ПК и внешним устройством, находящихся на небольшом расстоянии (LPT ~ 3м).

Если скорость обмена данными между процессором и внешним устройством не соответствует скорости, на которой работает процессор, используют буферезацию.

Буфер – это память, которая может обмениваться данными на скорости, соответствующей скорости внешнего устройства (заполнение буфера) и впоследствии обмениваться данными между буфером и процессором на скорости процессора.

Пример буферов: КЭШ память, буферная память в составе устройств ввода/вывода данных (платы с АЦП, видеокарты).

Последовательный интерфейс .

Данные передаются последовательно по одному проводу. К последовательным интерфейсам относятся: COM- порт, USB, PC/2 (мышка, клавиатура). Можно связывать между собой только два устройства.

Последовательные синхронные интерфейсы (ПСИ) – для передачи данных используются кроме линии данных линии тактовых импульсов (сигналов).

Чтение запись данных производится по фронту тактового импульса (-импульса синхронизации обмена данными).

Если к линии данных подключено более одного устройства, то выбор устройства, с которым производится обмен данными осуществляется специальным сигналом CS.

К этим интерфейсам относится: SPI, I 2 C

Эти интерфейсы применяются для обмена данными внутри ВУ, содержащих в своем составе микроконтроллер и некоторую периферию (АЦП, ЦАП, датчик температур) внутри прибора.

Последовательный асинхронный интерфейс (ПАН)

В составе ПАН нет сигналов синхронизации (нет CLK (тактовых сигналов)). Обмен данными осуществляется последовательной установкой на линию данных битов данных на равные интервалы времени.

● Последовательные асинхронные полудуплексные интерфейсы

RxD – приемник,

TxD – передатчик.

Через равные интервалы времени передается состояние одного и того же разряда. В данном типе интерфейсов при передаче данных могут участвовать только 2 устройства (приемник и пердатчик).

1– стартовый импульс (синхронизирует процесс передачи);

2– передается байт данных (количество передаваемых бит 5-8);

3 – передается служебная информация (бит проверки на четность);

4– стоповые биты (минимум 2) – разделительные биты между последовательно передаваемыми посылками.

3+4 – служебные биты

Бит проверки на четность применяют для исключения случайных ошибок (значение бита равно 1 или 0 в информативном такте, значение устанавливается таким, чтобы общее число единиц было четным).

Если в байте три единицы, то бит четности = 1, если 6, то бит четности =0.

Стоповые биты определяют минимальный интервал времени между соседними посылками. Их может быть 1 или 2 в зависимости от принятого протокола обмена данными. Если посылка данных осуществляется через интервал времени больший чем интервал стоповых битов, то это не приводит к сбою передачи данных по интерфейсу, если меньше, то приводит.

Скорость передачи данных измеряется в [бод]. (1 бод = 1 бит/с).

Достоинства:

Для передачи данных требуется минимум проводов,

Хорошо работает на длинных дистанциях.

Проще сама реализация интерфейса.

Недостаток:

Т.к. данные идут последовательно, длина линии связи может составлять до сотен метров;

Скорость передачи данных меньше, чем у параллельного интерфейса (эту проблему можно решить за счет длительности тактов)

Использовался в первых телеграфных релейных линиях связи.

● Последовательные асинхронные дуплексные интерфейсы

Дуплексный режим – одновременно информация передается в обе стороны. Источник и приемник имеют разные приоритеты.

Промышленный интерфейс RS-485 (Дуплексный режим)

Этот интерфейс позволяет подключать в одной ШД несколько устройств.

Master – означает что компьютер первым посылает запрос по линии связи RS-485, содержащей адрес устройства с которым будет вести обмен данными. Все устройства принимают этот запрос находясь в режиме ожидания, и то устройство адрес которого совпадает с заданным ПК номером принимает или передает данные в соответствии с установленным протоколом обмена данных.

Как правило все устройства - исполнительные механизмы.

RS-422 (Полудуплексный режим)

tком > tуп

tком – время посылки между командами

tуп – время передачи данных любого из устройств (длительность ответа n-го устройства для исключения конкуренции сигналов по линии передачи данных).

Для преобразования сигналов служат специализированные преобразователи. Устройства преобразования сигналов интерфейсов RS-422, RS-485 имеют в своем составе гальваническую развязку. Передача данных по линиям интерфейсов RS-422, RS-485 осуществляется по 2-м проводам с использованием дифференциальной линии связи для уменьшения влияния внешних проводов.

Длина линии связи может достичь до 1 км с использованием стандартного устройства преобразования.

Типы устройств ввода/вывода

1.Устройства, устанавливаемые на шину компьютера (PSI ,ISA). Имеют связь непосредственно с внутренней шиной, достаточно быстро могут вводить информацию.

2. Внешние устройства (COM – port, LPT – port, USB - port). Устройство вывода преобразует цифровой код в напряжение. Платы цифрового (дискретного) вывода информации применяются для управления оборудованием по принципу «включен/выключен».

В состав современных плат ввода - вывода сигнала может быть включен Digital Signal Processor (DSP – цифровой сигнальный процессор). Он выполняет функцию предварительной обработки вводимых сигналов.

Может осуществлять мультиплексирование подаваемых на АЦП данных; цифровую фильтрацию данных (удаление помех), частотный анализ сигнала (строится путем преобразований Фурье).

Характеристики устройств ввода/вывода

Характеристики для АЦП:

Количество разрядов;

Максимальное входное напряжение (Существует ряд стандартных максимальных напряжений: 1; 2,5; 5; 10 В);

Полярность (однополярный: U=0÷Umax, двухполярный: U=-Umax÷Umax);

Наличие мультиплексера (предназначен для переключения каналов и определения, с какого канала пойдет сигнал на АЦП)

При наличии мультиплексера появляется такой параметр, как частота преобразования канала АЦП. В паспорте АЦП указывается общая частот преобразования. Поэтому, если f p - частота преобразования, указанная в паспорте, то часта преобразования одного канала: f канала =f p /m, где m – число каналов.

Наличие гальванической развязки (применяется для разделения нулевых потенциалов работы вычислительных и внешних устройств);

Объем буферной памяти (для высокочастотных систем).

При записи происходит потеря информации, т.к. скорость записи меньше скорости считывания.

Во многих АЦП есть возможность подключения дифференциального сигнала.

Интерфейс RS-232

Один из наиболее распространенных последовательных интерфейсов. Первоначально разработан для связи терминалов с центральным компьютером, в настоящее время широко применяется для обмена данными между ПК и одиночными микроконтроллерными устройствами. Интерфейс RS-232 предназначен для соединения двух устройств (рис. 21). Передатчик одного устройства соединяется с приемником другого, и наоборот, что обеспечивает полудуплексный режим передачи данных. Для управления подключенным устройством можно использовать дополнительные линии порта RS-232 или специальные символы, добавляемые к передаваемым данным.

Скорость передачи 19 200 бит/c

Протяженность линии связи 15 м

Вид сигнала потенциальный с общим проводом

Число передатчиков 1

Число приемников 1

Интерфейс RS-422

Интерфейс разработан в 1975 г. для обмена данными между центральным компьютером и периферийным оборудованием. Интерфейс использует симметричную линию связи (рис. 22) и обеспечивает работу удаленного оборудования с ускоренным обменом данными. Интерфейс обеспечивает хорошее подавление помех общего вида за счет использования витой пары в качестве линии связи. Каждый передатчик может быть нагружен на несколько приемников (до 10), что позволяет обмениваться одновременно с несколькими устройствами.

Скорость передачи 10 Мбит/c

Протяженность линии связи 1200 м

Вид сигнала дифференциальный, витая пара

Число передатчиков 1

Число приемников 10

Организация связи полный дуплекс, точка-точка.

Интерфейс RS-485

Интерфейс широко распространен в промышленности для двунаправленного обмена данными по симметричной двухпроводной линии связи с повышенной нагрузочной способностью и протяженностью (рис. 23). Применяется для организации сетей типа «звезда» или «кольцо». Применение ретрансляторов позволяет увеличить расстояние между абонентами и организовать новый сегмент сети.

Интерфейс CAN

Последовательный интерфейс CAN специально разработан для объединения датчиков, исполнительных устройств и интеллектуальных контроллеров, управляющих каким-либо объектом в системах промышленной автоматизации. На рис. 24 приведена схема построения МПС на основе специальной магистральной шины.

Основные преимущества интерфейса: обеспечение режима обмена в реальном масштабе времени благодаря возможности инициативной передачи сообщений, высокая помехоустойчивость и протокол с коррекцией ошибок.