Náplň přednášky

Přednáška 7

147

Náplň přednášky 7  Komunikace v řídicích systémech. Paralelní a sériové rozhraní. Průmyslové komunikační sítě. RS232, SPI, I2C, USB, CAN, LIN, Ethernet.

148

www.vsb.cz

Komunikační rozhraní Dělíme na:  Sériové  Paralelní

Dělíme na:  Drátové  Bezdrátové

149

www.vsb.cz

Duplexní spojení  Duplexní spojení (duplex, obecně duplexní systém) je taková komunikace (popř. přenos dat) mezi dvěma subjekty, při které mohou data putovat oběma směry současně.  Lze rozlišit dva druhy duplexního spojení:  poloviční duplex  plný duplex.

150

www.vsb.cz

USART (UART)  Synchronní / asynchronní sériové rozhraní USART (Universal Synchronous / Asynchronous Receiver and Transmitter).  Jde o zařízení pro sériovou komunikaci, které lze nastavit buď pro asynchronní režim (SCI - např. pro linky RS232 resp. RS485), anebo pro synchronní režim (běžně označovaný jako SPI).

151

www.vsb.cz

Vyslání bajtu  Jakmile jsou data zapsána do registru TXREG, všechny bity jsou přepsány do registru pro vysílání (Transmit Shift Register).  A odtud jsou dále přeposlány na TX pin, přičemž je jim přiřazen na začátek start a na konec stop bit.  Použití speciálního registru pro vysílání umožňuje načítání nových dat do registru TXREG už během vysílání dat předchozích. To maximálně zefektivňuje komunikaci.

152

www.vsb.cz

Příjem bajtu  Po detekci start bitu na pinu RX, se další data bit po bitu přesunou do registru pro příjem (receive shift register).  Po přesunutí posledního bitu se zkontroluje stop bit a data se pošlou do bufferu, který je předá registru RCREG, pokud je prázdný.  Tento buffer a registr RCREG jsou dva elementy FIFO. Separátní použití registru pro příjem a FIFO bufferu poskytuje softwaru k přečtení doručených dat bez rizika přepsání těchto dat dalšími doručenými. Je tedy možné obdržet první dva byty a dále přijímat třetí byte ještě předtím, než jsou data „vytažena“ z registru RCREG.

153

www.vsb.cz

RS-232  Standard RS-232, resp. jeho poslední varianta RS232C z roku 1969, (také sériový port nebo sériová linka) se používá jako komunikační rozhraní osobních počítačů a další elektroniky.  RS-232 umožňuje propojení a vzájemnou sériovou komunikaci dvou zařízení, tzn. že jednotlivé bity přenášených dat jsou vysílány postupně za sebou (v sérii) po jednom páru vodičů v každém směru.

154

www.vsb.cz

Technický popis RS-232  Standard definuje asynchronní sériovou komunikaci pro přenos dat. Pořadí přenosu datových bitů je od nejméně významného bitu (LSB) po bit nejvýznamnější (MSB).  Počet datových bitů je volitelný, obvykle se používá 8 bitů, lze se také setkat se 7 nebo 9 bity.  Logický stav „0“/„1“ přenášených dat je reprezentován pomocí dvou možných úrovní napětí, které jsou bipolární a dle zařízení mohou nabývat hodnot ±5 V, ±10 V, ±12 V nebo ±15 V.  Nejčastěji se používá varianta při které logické hodnotě 1 odpovídá napětí −12 V a logické hodnotě 0 pak +12 V. Základní tři vodiče rozhraní (příjem RxD, vysílání TxD a společná zem GND) jsou doplněny ještě dalšími vodiči sloužícími k řízení přenosu (vstupy DCD, DSR, CTS, RI, výstupy DTR, RTS).  Ty mohou a nemusí být používány (zapojeny), nebo mohou být použity pro napájení elektronických obvodů v zařízení, jako je například počítačová myš.  Výstupní elektronika je vybavena ochranou proti zkratu, kdy po překročení proudu 20 mA proud již dále neroste. 155

www.vsb.cz

Logické úrovně RS-232  pro datové signály (tj. RXD a TXD): logická 0 je +3 V až +15 V, logická 1 je -3 V až -15 V  pro řídící signály (tj. RTS, CTS, DTR, DSR, ...): logická 0 je -3 V až -15 V, logická 1 je +3 V až +15 V  Řídící signály mají tedy opačnou logiku než signály přenášející data.

156

www.vsb.cz

MAX232  MAX232 je levný a velmi používaný převodník úrovní RS-232 (sériová linka) na TTL úrovně.  Jeho nespornou výhodou je, že potřebuje pouze jeden zdroj napětí a to +5 V, nikoliv +15, -15 a +5 V jako některé jiné převodníky.  Obsahuje 2 převodníky TTL → RS232 a 2 převodníky RS232 → TTL.

157

www.vsb.cz

SPI  SPI (Serial Peripheral Interface) je sériové periferní rozhraní. Používá se pro komunikaci mezi řídícími mikroprocesory a ostatními integrovanými obvody (EEPROM, A/D převodníky, displeje…).  Komunikace je realizována pomocí společné sběrnice. Adresace se provádí pomocí zvláštních vodičů, které při logické nule aktivují příjem a vysílání zvoleného zařízení (piny SS nebo CS).  Master - řídí komunikaci pomocí hodinového signálu  určuje, se kterým zařízením na sběrnici bude komunikovat pomocí SS Slave Select (někdy CS - Chip Select)

 Slave - vysílá podle hodinového signálu, pokud je aktivován pomocí SS/CS 158

www.vsb.cz

Průběh komunikace  Pro komunikaci Master nastaví log. 0 na SS zařízení, se kterým chce komunikovat.  Pak začne generovat hodinový signál na SCLK a v té chvíli vyšlou obě zařízení svoje data, přičemž MOSI (Master Out, Slave In) je vždy Master výstup, Slave vstup a MISO (Master In, Slave Out) je Master Vstup, Slave výstup.  Jakmile jsou data vyslána, může komunikace dále pokračovat:  Master dále dodává hodinový signál, hodnota SS se nemění  nebo může být ukončena: Master přestane vysílat hodinový signál a nastaví SS do log. 1.

 Délka vyslaných dat je buď 8bit (Byte) a nebo 16bit (Word). 159

www.vsb.cz

I2C  I²C (anglicky Inter-Integrated Circuit, čteme I-squared-C, nesprávně I-two-C) je multi-masterová počítačová sériová sběrnice vyvinutá firmou Philips, která je používána k připojování nízkorychlostních periferií k základní desce, vestavěnému systému nebo mobilnímu telefonu.

160

www.vsb.cz

Charakteristika I2C Sběrnice rozděluje připojená zařízení na řídící (master – zahajuje a ukončuje komunikaci; generuje hodinový signál SCL) a řízené (slave – zařízení adresované masterem) Sběrnice I²C se hojně používá v různých zařízeních včetně IBM PC kompatibilních počítačů:  čtení konfiguračních dat z SPD EEPROM v paměťových DIMM modulech (SDR SDRAM, DDR SDRAM, DDR2)  správa PCI karet pomocí spojení SMBus 2.0  přístup k NVRAM čipům obsahujících uživatelská nastavení (na síťové kartě, řadiči)  přístup k nízkorychlostním D/A a A/D převodníkům  změna kontrastu, teploty barev, vyvážení barev v monitorech (DDC)  změna hlasitosti inteligentních reproduktorů  řízení OLED a LCD displejů mobilních telefonů  čtení údajů o monitorovaných zařízeních (teplota procesoru, rychlost větráčků)  čtení hodin reálného času  zapínání a vypínání napájení systémových komponent

161

www.vsb.cz

USB  USB (Universal Serial Bus) je univerzální sériová sběrnice, moderní způsob připojení periferií k počítači.  Nahrazuje dříve používané způsoby připojení (sériový a paralelní port, PS/2, Gameport apod.) pro běžné druhy periférií – tiskárny, myši, klávesnice, joysticky, fotoaparáty, modemy atd., ale i pro přenos dat z videokamer, čteček paměťových karet, MP3 přehrávačů, externích pevných disků a externích optických mechanik.

162

www.vsb.cz

Specifikace USB 



  



163

Maximální délka kabelu mezi sousedními zařízeními je 5 m, jedná se o délku, která je garantovaná. Delší kabel může být, ale nemusí už správně fungovat přenos dat. Kabel obsahuje 4 vodiče. Dva jsou pro napájení (5 V a zemnění). Druhý pár je kroucený a slouží pro přenos dat. I ta nejnižší přenosová rychlost mnohonásobně překračuje možnosti sériového portu. (Při porovnání obou portů je však třeba brát v úvahu i to, že jedno zařízení si nikdy nemůže nárokovat celou šířku pásma.) Sběrnice USB přináší tu výhodu, že při připojení přídavného rozdělovače sběrnice (hub) jsou k dispozici tři nové porty. Celkem je možno na USB připojit až 127 zařízení. Nevýhodou pro amatérského vývojáře je velká složitost USB. Na straně přístroje je třeba použít buďto převodník na USB nebo softwarovou knihovnu. Knihovna komunikuje obvykle jako HID zařízení, která zabere část výpočetního výkonu a řádově 2 kB programové paměti; dále komunikace vyžaduje poměrně rychlé taktování mikrokontroleru. Na straně PC je nutný ovladač. Pro zprovoznění byť jednoduché komunikace je tedy třeba využívat USB knihovny na obou stranách. Kdo se chce vážně zabývat vývojem, stojí ještě před další překážkou: každé zařízení USB má interní číslo dodavatele (vendorlD), které je oficiálně udělováno organizací USB. Zařízení je možno dodávat na trh jen s platným VID.

www.vsb.cz

CAN-BUS  CAN (Controller Area Network) je sběrnice využívaná nejčastěji pro vnitřní komunikační síť senzorů a funkčních jednotek v automobilu, z čehož plyne také použití pro automobilovou diagnostiku.  Z této aplikační oblasti se CAN rychle rozšířil také do sféry průmyslové automatizace. Jedná se o sériovou datovou sběrnici vyvinutou firmou Robert Bosch GmbH.  Elektrické parametry fyzického přenosu jsou specifikované normou ISO 11898. Maximální teoretická rychlost přenosu na sběrnici je 1 Mb/s. CAN patří k průmyslovým komunikačním sítím označovaným jako provozní sběrnice, fieldbus. 164

www.vsb.cz

Protokol CAN-BUS  Síťový protokol detekuje a opravuje přenosové chyby vzniklé od okolních elektromagnetických polí.  Data se odesílají v rámcích, každý rámec může obsahovat až 8 datových bajtů.  Každý rámec obsahuje identifikátor, u sběrnice CAN neexistuje žádná adresa.  Obsah zprávy je dán pouze identifikátorem. Tento identifikátor definuje obsah přenášené zprávy a zároveň i prioritu zprávy při pokusu o její odeslání na sběrnici.  Vyšší prioritu mají zprávy s nižší hodnotou identifikátoru. Jedna zpráva může být přijata několika zařízeními. 165

www.vsb.cz

LIN  Sběrnice LIN je sériová asynchronní sběrnice používající ke komunikaci jednovodičové spojení připojených zařízení.  Je navržena pro použití v automobilové technice s ohledem na minimální cenové náklady spojené s její aplikací.  Nemá za cíl nahradit v automobilech dnes hojně používanou spolehlivou, robustní a rychlou sběrnicí CAN, ale má pokrýt množinu aplikací, pro které je použití sběrnice CAN přílišným luxusem, nebo zatím nebyly z cenových důvodů napojeny na elektronický řídící systém automobilu.  Cena vynaložená na propojení s lokální sítí automobilu má být 2 až 3 nižší ve prospěch LINu.

166

www.vsb.cz

Vlastnosti LIN  Jedná se o sběrnici typu single-master/multiple-slave, kde jedno řídící zařízení kontroluje komunikaci s jedním nebo více podřízenými zařízeními. Jednotlivá napojení na jednovodičovou sběrnici tvoří drátový AND a komunikace probíhá maximální přenosovou rychlostí až 20 kbit/s.  Ke generování komunikace lze použít hardwarových a softwarových prostředků běžného UART/SCI interface, přičemž podřízené jednotky (slave) nepotřebují k činnosti přesný krystalový generátor hodin, ale vystačí např. s RC oscilátorem.  Synchronizaci pro komunikaci totiž provádí řídící zařízení (master) na začátku každé komunikace.  Výše zmiňované vlastnosti mají příznivý vliv na cenu komunikačních komponent a umožňují tak snížit cenu i celých jednotlivých zařízení.  Koncepce budičů sběrnice vychází ze standardu ISO 9141 s vylepšeními v oblasti EMC. Data jsou zabezpečena kontrolním součtem. Hlavička je zabezpečena dvojicí paritních bitů.

167

www.vsb.cz

Ethernet  Ethernet je v informatice souhrnný název pro v současné době nejrozšířenější technologie pro budování počítačových sítí typu LAN.  V současné době se používá zejména verze Ethernetu, která používá kroucenou dvojlinku (běžná přenosová rychlost 100 nebo 1000 Mbps), avšak dříve byla velmi rozšířená též varianta používající koaxiální kabel (10 Mbps). Pomocí kroucené dvojlinky jsou počítače propojeny do hvězdy, přičemž se jako rozbočovací prvek používá switch (dříve i hub).  Využívá se TCP/IP protokolu 168

www.vsb.cz

Bezdrátové standardy 







169

Wi-Fi je v informatice označení pro několik standardů IEEE 802.11 popisujících bezdrátovou komunikaci v počítačových sítích (též Wireless LAN, WLAN). Samotný název WiFi vytvořilo Wireless Ethernet CompatibilityAliance. Tato technologie využívá bezlicenčníhofrekvenčního pásma, proto je ideální pro budování levné, ale výkonné sítě bez nutnosti pokládky kabelů. Bluetoothje v informatice proprietární otevřený standard pro bezdrátovou komunikaci propojující dvě a více elektronických zařízení, jako například mobilní telefon, PDA, osobní počítač nebo bezdrátová sluchátka. Vytvořen byl v roce 1994 firmou Ericsson a míněn jako bezdrátová náhrada za sériové drátové rozhraní RS-232. ZigBee je bezdrátová komunikační technologie vystavěná na standardu IEEE 802.15.4. Zigbee je poměrně novým standardem platným od listopadu 2004. Podobně jako Bluetooth je určena pro spojení nízkovýkonových zařízení v sítích PAN na malé vzdálenosti do 75 metrů. Díky použití multiskokového ad-hoc směrování umožňuje komunikaci i na větší vzdálenosti bez přímé radiové viditelnosti jednotlivých zařízení. Primární určení směřuje do aplikací v průmyslu a senzorových sítích. GSM (Globální Systém pro Mobilní komunikaci, původně však francouzsky „Groupe Spécial Mobile“) je nejpopulárnější standard pro mobilní telefony na světě.

www.vsb.cz

Děkuji za pozornost

170

www.vsb.cz