FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ

´ UC ˇ ENÍ TECHNICKE ´ V BRNE ˇ VYSOKE BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

ˇ ÍCH TECHNOLOGIÍ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKACN ´ USTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS

ˇ EVODNÍK USB/RS-485 PR

´ RSK ˇ A ´ PRACE ´ BAKALA BACHELOR’S THESIS

´ AUTOR PRACE AUTHOR

BRNO 2008

´ VACLAV HENZL

´ UC ˇ ENÍ TECHNICKE ´ V BRNE ˇ VYSOKE BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY ˇ ÍCH TECHNOLOGIÍ A KOMUNIKACN ´ USTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS

ˇ EVODNÍK USB/RS-485 PR USB/RS-485 CONVERTER

´ RSK ˇ A ´ PRACE ´ BAKALA BACHELOR’S THESIS

´ AUTOR PRACE

´ VACLAV HENZL

AUTHOR

´ VEDOUCÍ PRACE SUPERVISOR

BRNO 2008

ING. IVO HERMAN, CSC.

´ SEN ˇ Í PROHLA

Prohlaˇsuji, ˇze svoji bakaláˇrskou práci na téma Pˇ revodn´ık USB/RS485 jsem vypracoval samostatnˇe, pod veden´ım vedouc´ıho práce a s pouˇzit´ım odborné literatury a dalˇs´ıch informaˇcn´ıch zdroj˚ u, které jsou vˇsechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakaláˇrské práce dále prohlaˇsuji, ˇze v souvislosti s vytvoˇren´ım tohoto projektu jsem neporuˇsil autorská práva tˇret´ıch osob, zejmená jsem nezasáhl nedovoleným zp˚ usobem do ciz´ıch autorských práv osobnostn´ıch a jsem si plnˇe vˇedom následk˚ u poruˇsen´ı ustanoven´ı § 11 a následuj´ıc´ıch autorského zákona ˇc. 121/2000 Sb., vˇcetnˇe moˇzných trestnˇeprávn´ıch d˚ usledk˚ u vyplývaj´ıc´ıch z ustanovan´ı § 152 trestn´ıho zákona ˇc. 140/1961 Sb. V Brnˇe dne 28.5.2008 Václav Henzl

´ Í ZADAN

Navrhnˇete pˇrevodn´ık USB/RS 485, který bude simulovat výstup typu COM v poˇc´ıtaˇci PC. Zajistˇete automatický i ˇr´ızený zp˚ usob pˇrep´ınán´ı smˇer˚ u pro sbˇernici RS 485.

ABSTRAKT Tato práce se zabývá problematikou realizace pˇrevodn´ıku sbˇernice typu USB na sbˇernici typu RS-485, která je v dneˇsn´ı dobˇe hojnˇe vyuˇz´ıvána pˇri pr˚ umyslových aplikac´ıch (autor napˇr´ıklad pouˇz´ıvá jako komunikaˇcn´ı prostˇredek mezi serverem a ˇcteˇckami bezkontaktn´ıch pˇr´ıstupových karet). Obsahuje teoretický u´vod, návrh zaˇr´ızen´ı, realizaci a vyhodnocen´ı dosaˇzených výsledk˚ u.

ˇ A ´ SLOVA KLÍCOV USB, RS-485, konvertor, emulace COM, zp˚ usob pˇrep´ınán´ı smˇer˚ u

ABSTRACT This thesis is describing problematic of realisation of converter from USB type media into the universal RS-485 bus which is mainly used for the industrial applications (author is using frequently as a device in order to enable communication between server and RFID devices). This thesis contains theoretical information, realisation of the device itself and assesment of reached targets.

KEYWORDS USB, RS-485, converter, COM emulation, type of control of transfer direction switching

´ UCEN ˇ Í TECHNICKE ´ V BRNE, ˇ HENZL V. Pˇrevodn´ık USB/RS-485. Brno: VYSOKE ˇ ÍCH TECHNOLOGIÍ, USTAV ´ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKACN TELEKOMUNIKACÍ, Rok vydán´ı: 2008. Poˇcet stran 68. Vedouc´ı bakaláˇrské práce ing. Ivo Herman, CSc.

OBSAH ´ Uvod

10

1 USB - Universal Serial Bus 1.1 Popis rozhran´ı . . . . . . . 1.2 Elektrické parametry . . . 1.3 Moˇznosti a v´ yhody USB . 1.4 Pˇrenos dat . . . . . . . . . 1.5 USB deskriptory . . . . .

11 11 11 14 14 18

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

2 RS-485 22 2.1 Obecn´ y popis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2 RS-485 pod lupou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3 FT232BM 26 3.1 Obecné vlastnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2 Blokov´ y diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3 Popis jednotliv´ ych funkˇcn´ıch blok˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4 EEPROM 93C56B 31 4.1 Obecné vlastnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.2 Blokov´ y diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.3 Popis jednotliv´ ych pin˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5 LTC485 34 5.1 Obecné vlastnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5.2 Schéma zapojen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5.3 Popis jednotliv´ ych pin˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6 Realizace hardwaru 6.1 Napájen´ı pˇrevodn´ıku . . . . . . . . . . 6.2 Pˇripojen´ı krystalu . . . . . . . . . . . . 6.3 Pˇripojen´ı pamˇeti EEPROM . . . . . . 6.4 Pˇripojen´ı linkového vys´ılaˇce/pˇrij´ımaˇce ˇ ızen´ı pˇr´ıstupu . . . . . . . . . . . . . 6.5 R´ 6.6 Automatick´ y zp˚ usob pˇrep´ınán´ı smˇer˚ u . ˇ 6.7 R´ızen´ y zp˚ usob pˇrep´ınán´ı smˇer˚ u . . . . 6.8 Vyváˇzen´ı pˇrenosvé linky RS-485 . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

36 36 37 38 39 40 42 42 42

6.9 Konfigurace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 6.10 Dokonˇcen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 6.11 Mˇeˇren´ı obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 7 Software

48

8 Z´ avˇ er

51

Reference

52

Seznam symbol˚ u, veliˇ cin a zkratek

53

Seznam pˇ r´ıloh

55

A Blokov´ y diagram ˇ cipu FT232BM

56

B Sch´ ema zapojen´ı pˇ revodn´ıku

58

C Pohled na osazen´ı souˇ c´ astek - vrchn´ı strana

60

D Pohled na osazen´ı souˇ c´ astek - spodn´ı strana

61

E Pohled na desku ploˇ sn´ ych spoj˚ u - vrchn´ı strana

62

F Pohled na desku ploˇ sn´ ych spoj˚ u - spodn´ı strana

63

G Rozpis souˇ c´ astek

64

H Fotografie DPS | TOP

65

Fotografie DPS | BOTTOM

66

J Fotografie osazen´ e DPS | TOP

67

K Fotografie osazen´ e DPS | BOTTOM

68

I

´ ˚ SEZNAM OBRAZK U 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 3.1 3.2 4.1 4.2 5.1 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 7.1 7.2 7.3 A.1 B.1 C.1 D.1 E.1 F.1 H.1 I.1 J.1 K.1

Schéma zapojen´ı pro pˇrenosovou rychlost typu LOW SPEED . . . Schéma zapojen´ı pro pˇrenosovou rychlost typu FULL SPEED . . Typy konektor˚ u typu USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vliv interference na RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Topologie RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pin-Out IO FT232BM - fyzick´ y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pin-Out IO FT232BM - schematick´ y . . . . . . . . . . . . . . . . Blokov´ y diagram EEPROM pamˇeti 93c56b . . . . . . . . . . . . . Pinout EEPROM pamˇeti 93c56b v obou proveden´ıch . . . . . . . Pinout integrované struktury LTC485 vˇc. vnitˇrn´ı struktury . . . . Schéma napájen´ı obvod˚ u pˇrevodn´ıku . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma pˇripojen´ı krystalu k FT232BM . . . . . . . . . . . . . . . Schéma pˇripojen´ı pamˇeti EEPROM k FT232BM . . . . . . . . . . Schéma pˇripojen´ı linkového pˇrij´ımaˇce/vys´ılaˇce RS-485 . . . . . . . ˇ ızen´ R´ y zp˚ usob pˇrep´ınán´ı smˇer˚ u s vyuˇzit´ım RTS . . . . . . . . . . Schéma zapojen´ı mˇeˇren´ı spotˇreby . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vliv konfigurace lokáln´ıho echa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teoretick´ y pr˚ ubˇeh signálu pˇri odes´ılán´ı znaku ’F’ . . . . . . . . . Pr˚ ubˇeh signálu pˇri odes´ılán´ı znaku ’F’ . . . . . . . . . . . . . . . Pr˚ ubˇehy signál˚ u na jednotliv´ ych vodiˇc´ıch veden´ı . . . . . . . . . . Schéma struktury ovladaˇce typu VCP . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma struktury ovladaˇce typu D2XX . . . . . . . . . . . . . . . Náhled obrazovky programu Mprog . . . . . . . . . . . . . . . . . Blokov´ y diagram ˇcipu FT232BM . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma zapojen´ı pˇrevodn´ıku USB<->RS485 . . . . . . . . . . . . Osazen´ı souˇca´stek pˇrevodn´ıku - vrchn´ı strana DPS . . . . . . . . Osazen´ı souˇcástek pˇrevodn´ıku - spodn´ı strana DPS . . . . . . . . Deska ploˇsn´ ych spoj˚ u pˇrevodn´ıku USB<->RS485 - vrchn´ı strana . Deska ploˇsn´ ych spoj˚ u pˇrevodn´ıku USB<->RS485 - spodn´ı strana Deska ploˇsn´ ych spoj˚ u - foto - top . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deska ploˇsn´ ych spoj˚ u - foto - bottom . . . . . . . . . . . . . . . . Fotografie osazeného pˇrevodn´ıku - top . . . . . . . . . . . . . . . . Fotografie osazeného pˇrevodn´ıku - bottom . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13 13 20 23 24 28 29 32 33 34 37 38 39 40 42 45 45 46 46 47 48 49 49 57 59 60 61 62 63 65 66 67 68

SEZNAM TABULEK 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 6.1 G.1

Zapojen´ı konektoru USB . . . . . . . . . . . . . . . . . Poloˇzky pole typu PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formát paketu typu token . . . . . . . . . . . . . . . . Formát paketu typu data . . . . . . . . . . . . . . . . . Formát paketu typu handshake . . . . . . . . . . . . . Formát paketu typu SOF . . . . . . . . . . . . . . . . . Formát deskriptoru typu device . . . . . . . . . . . . . Formát deskriptoru typu configuration . . . . . . . . . Formát deskriptoru typu interface . . . . . . . . . . . . Konfigurace pˇrevodn´ıku s pomoc´ı mikro DIP pˇrep´ınaˇc˚ u Rozpis souˇca´stek potˇrebn´ ych pro konstrukci zaˇr´ızen´ı . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

12 16 16 17 17 17 19 21 21 43 64

´ UVOD Tato práce se vˇenuje oblasti konverze dat z rozhran´ı typu USB (univerzáln´ı sériové rozhran´ı – Universal Serial Bus) na rozhran´ı typu RS-485 (rozhran´ı RS-485 je elektrická specifikace pro dvoudrátové, poloduplexn´ı, v´ıcebodové sériové spojen´ı) vˇcetnˇe ˇreˇsen´ı problematiky ˇr´ızen´ı zp˚ usobu pˇrep´ınán´ı smˇer˚ u na sbˇernici RS-485. C´ılem této bakaláˇrské práce je navrhnout pˇrevodn´ık, kter´ y bude simulovat v´ ystup typu COM v poˇc´ıtaˇci PC. Vypracujeme návrh zaˇr´ızen´ı, které po pˇripojen´ı na port USB poˇc´ıtaˇce typu PC bude v tomto prostˇred´ı emulovat sérivé rozhran´ı typu COM, po kterém bude moˇzno pˇrenáˇset data pˇr´ımo na sbˇernici typu RS-485, které je v dneˇsn´ı dobˇe hojnˇe vyuˇz´ıváno napˇr. v pr˚ umyslov´ ych aplikac´ıch, pˇr´ıstupu ke vzdálen´ ym zaˇr´ızen´ım (kde nen´ı kladen poˇzadavek na ˇsirokopásmov´ y pˇrenos dat) a podobnˇe. Pro návrh takovéhoto zaˇr´ızen´ı je zapotˇreb´ı, abychom se bl´ıˇze seznámili se specifikacemi jednotliv´ ych rozhran´ı (USB, RS-485), jejich poˇzadavky na realizaci a s funkcemi, které nám mohou poskytnout. Po bliˇzˇs´ım prozkoumán´ı nab´ıdky mikroˇcip˚ u, které se nacházaj´ı na trhu s elektronick´ ymi souˇca´stkami, jsme jako nejelpˇs´ı ˇreˇsen´ı pro naˇsi aplikaci zvolili ˇcip FT232BM od firmy FTDI Chip1 , kter´ y bude slouˇzit jako pˇrevodn´ık rozhran´ı typu USB na sériové rozhran´ı. Jako podp˚ urnou 2 pamˇet’ pro FT232BM byla zvolena EEPROM 93C56 od firmy Microchip . Pro pˇr´ıstup na sbˇernici typu RS-485 byl pouˇzit integrovan´ y obvod nesouc´ı oznaˇcen´ı LTC 485 od firmy Linear technology3 , coˇz je n´ızkopˇr´ıkonov´ y vys´ılaˇc/pˇrij´ımaˇc sbˇernice typu RS-485. S jednotliv´ ymi technick´ ymi specifikacemi tˇechto zaˇr´ızen´ı bude ˇctenáˇr seznámen v dalˇs´ıch kapitolách této práce.

1

- v´ yroba mikroˇcip˚ u pro konverzi rozhran´ı typu USB - v´ yroba integrovan´ ych obvod˚ u a pamˇet´ı 3 - v´ yroba integrovan´ ych obvod˚ u pro speciáln´ı aplikace 2

10

1

USB - UNIVERSAL SERIAL BUS

1.1

Popis rozhran´ı

Rozhran´ı typu USB je dnes jiˇz zcela bˇeˇznou souˇcást´ı kaˇzdého poˇc´ıtaˇce, ale i bˇeˇzné spotˇrebn´ı elektroniky, kterou kaˇzd´ y z nás vyuˇz´ıvá (fotoaparáty, videokamery, apod..). Pod tlakem mohutné expanze rozhran´ı typu USB ve velké m´ıˇre ustoupilo sérové rozhran´ı typu RS-2321 a paraleln´ı rozhran´ı, které dnes najdeme jen jiˇz jako souˇcást rozhran´ı drtivé menˇsiny nab´ızen´ ych produkt˚ u. Proˇc je tedy rozhran´ı USB tak v´ yhodné? Základn´ımi parametry rozhran´ı USB jsou: • Komunikaˇcn´ı vzdálenost aˇz 5 metr˚ u • Komunikaˇcn´ı rychlost od 1,5 Mbps do 480Mbps • Rozhran´ı obsahuje napájen´ı 5V, kter´ ym lze obsluhovat pˇripojená zaˇr´ızen´ı • Lze pˇripojit ˇsirokou ˇskálu zaˇr´ızen´ı pomoc´ı jednotného konektoru • Moˇznost pˇripojen´ı v´ıce zaˇr´ızen´ı na jeden port rozhran´ı • Zajiˇstˇen´ı korektn´ıho pˇridˇelován´ı prostˇredk˚ u jako je IRQ, DMA a podobnˇe Ovladaˇce pro rozhran´ı typu USB v dneˇsn´ı dobˇe odpov´ıdá normˇe Plug and Play a je souˇcást´ı jak operaˇcn´ıch systém˚ u firmy Microsoft, tak i jejr˚ uznˇejˇs´ıch distribuc´ı Linuxu a dokonce i Unixu.

1.2

Elektrick´ e parametry

Rozhran´ı typu USB pouˇz´ıvá dva typy konektor˚ u: • USB Host znám´ y také jako TYP A - obsaˇzen v zaˇr´ızen´ıch, která podporuj´ı reˇzim USB Host • USB Device znám´ y také jako TYP B - obsaˇzen v zaˇr´ızen´ıch, která se pˇripojuj´ı k zaˇr´ızen´ım typu USB Host kabelem (m˚ uˇzeme si je pˇredstavit jako spotˇrebiˇce) 1

rozrhan´ı RS-232 je elektrick´ a specifikace pro sériov´ y pˇrenos dat pouˇzit´ y v poˇc´ıtaˇcov´ ych portech, je velice podobn´ a protokolu V.24 ze standardu ITU-T

11

V pˇr´ıpadˇe Universal Serial Bus jsou definovány dvˇe rozd´ılné verze fyzické vrstvy - USB 1.1 a USB 2.0, která byla novˇe doplnˇena o nejrychlejˇs´ı vrstvu high speed. Pro pˇripojen´ı r˚ uzn´ ych typ˚ u periferi´ı k jednomu poˇc´ıtaˇci m˚ uˇzeme vyuˇz´ıt vˇsechny verze propojen´ı souˇcasnˇe. Verze se liˇs´ı jednak proveden´ım kabelu, ale i elektrick´ ymi parametry rozhran´ı pˇr´ıpojného nebo pˇripojeného zaˇr´ızen´ı. Rozdˇelen´ı rychlost´ı pro USB je následuj´ıc´ı: • LOW SPEED = 1,5Mbps • FULL SPEED = 12Mbps • HIGH SPEED = 480Mbps Pˇri vysokorychlostn´ım pˇrenosu dat, tj pˇri rychlostech HIGH SPEED a FULL SPEED je logická hodnota 1 pˇrenáˇsena diferenciálnˇe - D+ pˇres 2,8V a D- pod 0,3V. Logická hodnota 0 je pak ˇreˇsena zcela opaˇcnˇe tj. D+ pod 0,3V a D- pˇres 2,8V.

Tabulka 1.1: Zapojen´ı konektoru USB ˇ ıslo pinu C´

Jm´ eno

1 2 3 4

VBus DD+ GND

Barva

Popis

ˇcervená +5V DC b´ılá Data zelená Data + ˇcerná Signáln´ı zem

Pro definici rychlosti na sbˇernici má USB k disposici speciáln´ı reˇzimy, kdy jsou piny Data + nebo Data - pˇripojeny pˇr´ımo na u ´roveˇ n 3,3V. Full speed zaˇr´ızen´ı má pˇripojen pin Data + rezistorem na u ´roveˇ n 3,3V, zat´ımco Low speed zaˇr´ızen´ı tomu maj´ı naopak - tedy pin Data -. Zaˇr´ızen´ı s podporou High speed se pˇripojuj´ı totoˇznˇe s reˇzimem Full speed, detekce rychlosti se provád´ı softwarovˇe mezi poˇc´ıtaˇcem a ˇcipem v pˇripojovaném zaˇr´ızen´ı. Standard USB 1.1 definuje, ˇze tato zaˇr´ızen´ı nemus´ı b´ yt vybavena podporou FULL speed, coˇz producent˚ um elektroniky umoˇzn ˇuje vytváˇret mnohem levnˇejˇs´ı rozhran´ı v aplikac´ıch, kde to poˇzadavky na pˇrenos dat nepotˇrebuj´ı. Pˇrenáˇsené napˇet’ové u ´rovnˇe jsou ’pˇribliˇznˇe’ TTL. Logická jedniˇcka je 2,8V se zat´ıˇzen´ım 15kΩ proti zemi, logická nula je cca 0,3V se zat´ıˇzen´ım 1, 5kΩ proti napájen´ı. Pokud chceme pˇrenáˇset data maximáln´ı pˇrenosovou rychlost´ı nemˇela by délka USB kabelu pˇresáhnout 5m a zároveˇ n mus´ı b´ yt kabel st´ınˇen´ y a kroucen´ y. Minimáln´ı diferenˇcn´ı vstupn´ı napˇet´ı pˇrij´ımaˇce USB je 200mV a to dokonce pˇri

12

Obrázek 1.1: Schéma zapojen´ı pro pˇrenosovou rychlost typu LOW SPEED

Obrázek 1.2: Schéma zapojen´ı pro pˇrenosovou rychlost typu FULL SPEED

13

souhlasném ruˇsivém napˇet´ı aˇz 2,6V. Vˇsechna USB zaˇr´ızen´ı mus´ı b´ yt vybavena zakonˇcovac´ımi rezistory dle Obrázku 1.1 a Obrázku 1.2. Napájen´ı USB zaˇr´ızen´ı je realizováno pˇr´ımo ze sbˇernice USB nebo pomoc´ı vlastn´ıho samostatného napájec´ıho zdroje. V pˇr´ıpadˇe napájen´ı ze sbˇernice USB nesm´ı celkov´ y maximáln´ı odeb´ıran´ y proud pˇresáhnout hodnotu 100mA. V pˇr´ıpadˇe, ˇze je USB zaˇr´ızen´ı vybaveno vlastn´ım zdrojem, je ˇcinnost tohoto zdroje ˇr´ızena sbˇernic´ı USB (zapnut´ı, vypnut´ı, usnut´ı). V pˇr´ıpadˇe, ˇze je zaˇr´ızen´ı v tzv. stand by módu, nesm´ı proudov´ y odbˇer ze sbˇernice USB pˇresáhnout hodnotu 500µA.

1.3

Moˇ znosti a v´ yhody USB

• Jednoduch´ y protokol • Podpora sdruˇzen´ ych zaˇr´ızen´ı • Souˇcasná podpora nˇekolika zaˇr´ızen´ı pˇripojen´ ych na spoleˇcnou USB sbˇernici • Podpora synchronn´ıch i asynchronn´ıch pˇrenos˚ u • Dynamicky pˇripojitelné a pˇrekonfigurovatelné periferie • Autoidentifikace periféri´ı, autokonfigurace ovladaˇce • Velmi mal´ y overhead2 protokolu (vysoká efektivita) • Zpracován´ı chyb je souˇca´st´ı protokolu ˇ ızen´ı pˇrenosu je souˇcást´ı protokolu • R´ • Moˇznost identifikace chyb pˇri pˇrenosu a jejich následná korekce

1.4

Pˇ renos dat

Data na sbˇernic´ıch typu USB jsou vys´ılány napˇred bitem LSB3 a skládaj´ı se z následuj´ıc´ıch pol´ı: • SYNC Vˇsechny pakety mus´ı zaˇc´ınat polem typu SYNC. Pole je dlouhé 8bit˚ u pro LOW SPEED a 32bit˚ u pro FULL SPEED pˇrenosy a je v´ yhradnˇe urˇceno pro 2

pˇridan´ y datov´ y tok kter´ y protokol potˇrebuje pro svou vlastn´ı reˇzii - mal´ y overhead vyznaˇcuje vysokou efektivitu, tj. velmi n´ızkou reˇzii protokolu 3 least significant bit; oznaˇcuje bit v ˇretˇezci s nejniˇzˇs´ı váhou

14

synchronizaci hodin mezi pˇrij´ımaˇcem a vys´ılaˇcem. Posledn´ı dva bity tohoto pole oznaˇcuj´ı zaˇcátek pole PID • PID PID oznaˇcuje ID paketu. Toto pole je pouˇzito pro identifikaci typu paketu, kter´ y je právˇe odes´ılan´ y. Tabulka 1.2 obsahuje moˇzné hodnoty. Pˇrestoˇze pole PID obsahuje 4 bity pˇrenáˇsené informace, docház´ı pˇri pˇrenosu k zopakován´ı pro odstranˇen´ı moˇzn´ ych chyb, takˇze celkové délka tohoto pole je 8 bit˚ u. • ADDR Nese c´ılovou adresu pˇr´ıjemce paketu. Pole je celkem 7 bit˚ u dlouhé a tak umoˇzn ˇuje adresovat aˇz 127 zaˇr´ızen´ı. Adresa hodnoty 0 nen´ı standardnˇe povolena a má speciáln´ı charakter - na tuto adresu mus´ı odpov´ıdat vˇsechna zaˇr´ızen´ı, která doposud nemaj´ı pˇriˇrazena ˇza´dnou adresu. • ENDP Nese adresu endpointu. Pole je celkem 4 bity dlouhé a umoˇzn ˇuje tak aˇz 16 endpoint˚ u • CRC Vˇsechny token pakety maj´ı CRC4 5ti bitové zat´ımco data pakety maj´ı toto pole 16 bit˚ u dlouhé • EOP Oznaˇcuje konec paketu Pro komunikaci pomoc´ı rozhran´ı USB m˚ uˇzeme pracovat se tˇremi typy paket˚ u token, datov´ y paket a handshake paket. Zaˇr´ızen´ı, které chce vys´ılat data vyˇsle paket typu token, kter´ y obsahuje popis, smˇer v´ ymˇeny dat, adresu USB zaˇr´ızen´ı a adresu pˇr´ıjemce (endpoint number). Po tokenu následuje datov´ y paket, kter´ y mus´ı b´ yt v pˇr´ıpadˇe pˇrenosu nulové informace prázdn´ y a pˇr´ıjem takového datového paketu potvrd´ı zpˇet odes´ılateli handshake paketem, kter´ ym jednoduˇse informuje o u ´spˇeˇsném pˇrenosu informace. Pakety typu token Jsou celkem tˇri typy token˚ u: • Pˇ r´ıchoz´ı Informuje USB zaˇr´ızen´ı, ˇze HOST chce pˇrij´ımat informaci 4

cyclic redudancy check; je funkce která ze vstupn´ıch dat zcela libolovné délky produkuje v´ ystupn´ı hodnotu o pˇresnˇe stanovené délce; velmi ˇcasto se CRC vyuˇz´ıvá pro funkce kontroln´ıho souˇctu

15

Tabulka 1.2: Poloˇzky pole typu PID Skupina

Hodnota PID

Identifik´ ator paketu

Token

0001 1001 0101 1101 0011 1011 0111 1111 0010 1010 1110 0110 1100 1100 1000 0100

Odchoz´ı token Pˇr´ıchoz´ı token SOF token SETUPtoken Data 0 Data 1 Data 2 MDATA ACK handshake NAK handshake STALL handshake NYET (zat´ım bez odpovˇedi) Preambule Chyba pˇri pˇrenosu Split Ping

Data

Handshake

Speciáln´ı

• Odchoz´ı Informuje USB zaˇr´ızen´ı, ˇze HOST chce odes´ılat informaci • Setup Pouˇz´ıvá se pro kontrolu zapoˇcet´ı pˇrenos˚ u. Vˇsechny token pakety mus´ı splˇ novat formát uveden´ y v tabulce 1.3.

Tabulka 1.3: Formát paketu typu token SYNC PID ADDR ENDP CRC5 EOP Pakety typu data Jsou definovány celkem dva typy datov´ ych paket˚ u a kaˇzd´ y z nich je schopen pˇrenést aˇz 1024byt˚ u dat: • Data 0 • Data 1 • Data 2 (definován pouze pro HIGH SPEED)

16

• MDATA (definován pouze pro HIGH SPEED) Data pakety maj´ı formát dle tabulky 1.4.

Tabulka 1.4: Formát paketu typu data SYNC PID DATA

CRC16 EOP

Pakety typu handshake Jsou definovány celkem tˇri typy paket˚ u typu handshake, které obsahuj´ı pouze informaci o PID: • ACK Potvrzen´ı o tom, ˇze paket byl u ´spˇeˇsnˇe pˇrijat • NAK Indikuje doˇcasnou nedostupnost pro pˇr´ıjem a vys´ılán´ı dat. Souˇcasnˇe se pouˇz´ıvá pro pˇreruˇsen´ı - pro indikaci, ˇze nejsou k dispozici ˇza´dná data pro pˇrenos • STALL Zaˇr´ızen´ı indikuje, ˇze se nacház´ı ve stavu, kdy je zapotˇreb´ı zásah ze strany HOSTu. Handshake pakety maj´ı formát dle tabulky 1.5.

Tabulka 1.5: Formát paketu typu handshake SYNC PID EOP Pakety typu SOF - Start of Frame Packets Pakety typu SOF obsahuj´ı 11bitové ˇc´ıslo rámce, které je odesláno HOSTem kaˇzdou: • 1ms ± 500ns pro sbˇernici typu FULL SPEED • 125µs ± 0, 0625µs pro sbˇernici typu HIGH SPEED SOF pakety maj´ı formát dle tabulky 1.6:

Tabulka 1.6: Formát paketu typu SOF ˇ ÍSLO RAMCE ´ SYNC PID C CRC5 EOP Bav´ıme-li se u USB o pˇrenosu dat, je nutno zd˚ uraznit, ˇze jedna ze zvláˇstnost´ı USB

17

je moˇznost vyuˇzit´ı dvou pˇrenosov´ ych model˚ u: Model typu STREAM, kter´ y vyuˇz´ıvá izochronn´ı (bezformátov´ y) pˇrenos dat v reálném ˇcase, z jehoˇz názvu vypl´ yvá, ˇze nemá pevnˇe definovanou strukturu. ´ Model typu ZPRAVA, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı asynchronn´ı pˇrenos - tento model má pˇresnˇe definovanou strukturu: a) ˇridic´ı zpráva pro konfiguraci aktivovaného zaˇr´ızen´ı; b) zpráva obsahuj´ıc´ı vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı dat; c) zpráva s pˇreruˇsen´ım (napˇr. zmˇena polohy myˇsi). Pro kódován´ı je pouˇzit kód NRZI (non-return-to-zero Inverted; typ modulace která mapuje log 1 pˇri zmˇenˇe stavu, log 0 pro stávaj´ıc´ı stav; stejn´ y typ modulace se vyuˇz´ıvá napˇr. pro zápis na magnetickou pásku) a zabezpeˇcen´ı pˇrenosu dat je zajiˇstˇeno pouˇzit´ım mechanismu CRC (cyclic redudancy check; je funkce která ze vstupn´ıch dat zcela libolovné délky produkuje v´ ystupn´ı hodnotu o pˇresnˇe stanovené délce; velmi ˇcasto se CRC vyuˇz´ıvá pro funkce kontroln´ıho souˇctu)

1.5

USB deskriptory

Vˇsechna USB zaˇr´ızen´ı maj´ı svou hierarchii popisovaˇc˚ u (deskriptor˚ u), které popisuj´ı informace o zaˇr´ızen´ı jako je napˇr´ıklad název zaˇr´ızen´ı, název v´ yrobce, jaká verze USB je podporována, jak´ ym zp˚ usobem lze zaˇr´ızen´ı konfigurovat, atd. . Nejˇcastˇejˇs´ımi typy USB deskriptor˚ u jsou: • Device deskriptor • Configuration deskriptor • Interface deskriptor • Endpoint deskriptor • String deskriptor Device deskriptor Device deskriptor (neboli popisovaˇc zaˇr´ızen´ı) je reprezentativn´ım znakem USB zaˇr´ızen´ı a právˇe kv˚ uli tomu m˚ uˇze m´ıt USB zaˇr´ızen´ı pouze jeden device deskriptor. Definuje základn´ı informace o zaˇr´ızen´ı jak´ ymi jsou napˇr´ıklad poporovaná verze USB, maximáln´ı velikost paketu, název produktu a oznaˇcen´ı v´ yrobce, poˇcet moˇzn´ ych konfigurac´ı a podobnˇe. Formát deskriptoru typu device je naznaˇcen v tabulce 1.7.

18

19

Pole

bLength bDescriptorType bcdUSB

bDeviceClass bDeviceSubClass bDeviceProtocol bMaxPacketSize

idVendor idProduct bcdDevice iManufacturer iProduct iSerialNumber bNumConfigurations

Offset

0 1 2

4 5 6 7

8 10 12 14 15 16 17

2 2 2 1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 2

ID ID BCD index index index ˇc´ıslo

tˇr´ıda tˇr´ıda protokol ˇc´ıslo

ˇc´ıslo konstanta BCD

Velikost Hodnota

Tabulka 1.7: Formát deskriptoru typu device

velikost deskriptoru v bytech (18) deskriptor zaˇr´ızen´ı (0x01) oznaˇcen´ı USB specifikace ve které je zaˇr´ızen´ı vyrobeno (0x0100 USB 1.0, 0x0110 USB 1.1, 0x0200 USB 2.0) Class Code (kód tˇr´ıdy) Subclass Code (kód sub-tˇr´ıdy) kód pouˇzitého protokolu maximáln´ı velikost paketu pro nulov´ y endpoint (moˇzné hodnoty jsou 8, 16, 32, 64) ID v´ yrobce ID v´ yrobku oznaˇcen´ı verze v´ yrobku index Manufacturer String deskritporu index Product String deskriptoru index Serial Number String deskriptoru poˇcet moˇzn´ ych konfigurac´ı

Popis

Obrázek 1.3: Typy konektor˚ u typu USB

Configuration deskriptor Configuration deskriptor (neboli popisovaˇc konfigurace) specifikuje konfiguraci USB zaˇr´ızen´ı, které m˚ uˇze m´ıt nˇekolik r˚ uzn´ ych v´ yskyt˚ u. Standardn´ı USB zaˇr´ızen´ı, se kter´ ymi se setkáváme napˇr. na trhu, obsahuj´ı vˇetˇsinou pouze jednu konfiguraci. Popisovaˇc konfigurace specifikuje, jak je zaˇr´ızen´ı napájeno, jaká je jeho maximáln´ı spotˇreba a poˇcet rozhran´ı, které obsahuje. USB zaˇr´ızen´ı m˚ uˇze rozliˇsné konfigurace vyuˇz´ıvat napˇr. pro rozliˇsen´ı konfigurace v pˇr´ıpadˇe, ˇze je zaˇr´ızen´ı zapnuto pˇres spoleˇcnou sbˇernici nebo naopak manuálnˇe. Jakmile jsou vˇsechny konfigurace prozkoumány host zaˇr´ızen´ım, informace se zpracuje a odeˇsle se SetConfiguration pˇr´ıkaz s nenulovou hodnotou, která se shoduje s hodnotou bConfigurationValue, která reprezentuje právˇe jednu konfiguraci zaˇr´ızen´ı. Formát deskriptoru typu device je naznaˇcen v tabulce 1.8. Interface deskriptor Interface deskriptor (neboli popisovaˇc rozhran´ı) m˚ uˇzeme zahlédnout jako hlaviˇcku skupiny endpoint˚ u, které vykonávaj´ı stejnou funkci v rámci jednoho zaˇr´ızen´ı. Formát deskriptoru typu interface je naznaˇcen v tabulce 1.9. Endpoint deskriptor Endpoint deskriptor (neboli popisovaˇc koncov´ ych bod˚ u) slouˇz´ı k popisu endpoint˚ u jin´ ych, neˇz je endpoint 0, kter´ y je vˇzdy povaˇzován za kontroln´ı endpoint a je konfigurován dˇr´ıve, neˇz jsou vyˇza´dány popisovaˇce. String deskriptor String deskriptor (neboli popisovaˇc ˇretˇezce) je nepovinn´ y popisovaˇc a poskytuje textovˇe srozumitelné informace pro ˇclovˇeka.

20

21

bLength bDescriptorType wTotalLength bNumInterfaces bConfigurationValue iConfiguration bmAttributes bMaxPower

0 1 2 4 5 6 7 8

Pole

bLength bDescriptorType bInterfaceNumber bAlternateSetting bNumEndpoints bInterfaceClass bInterfaceSubClass bInterfaceProtocol iInterface

Offset

0 1 2 3 4 5 6 7 a´

1 1 2 1 1 1 1 1

Velikost

1 1 1 1 1 1 1 1 1

ˇc´ıslo konstanta ˇc´ıslo ˇc´ıslo ˇc´ıslo tˇr´ıda tˇr´ıda protokol index

Popis

velikost deskriptoru v bytech (9) deskriptor konfigurace (0x02) celkov´ y objem navrácen´ ych dat v bytech poˇcet rozhan´ı identifikátor této konfigurace deskriptor této konfigurace D6=vlastn´ı zdroj, D5=vzdálené probuzen´ı maximáln´ı spotˇreba energie

Popis

velikost deskriptoru v bytech (9) deskriptor rozhran´ı (0x04) oznaˇcen´ı rozhran´ı hodnota pro pouˇzit´ı náhradn´ıho nastaven´ı poˇcet endpoint˚ u pouˇzit´ ych v rámci rouhran´ı kód tˇr´ıdy kód sub-tˇr´ıdy kód protokolu index popisovaˇce rozhran´ı

ˇc´ıslo konstanta ˇc´ıslo ˇc´ıslo ˇc´ıslo index bitmap ˇc´ıslo x 2mA

Hodnota

Velikost Hodnota

Tabulka 1.9: Formát deskriptoru typu interface

Pole

Offset

Tabulka 1.8: Formát deskriptoru typu configuration

2 2.1

RS-485 Obecn´ y popis

Pokud potˇrebujeme pˇrenáˇset malé bloky informac´ı na dlouhé vzdálenosti, RS-485 je ˇ anky takové s´ıtˇe mohou b´ pro nás to správné ˇreˇsen´ı. Cl´ yt poˇc´ıtaˇce, mikrokontroléry nebo jakákoliv jiná zaˇr´ızen´ı, která umoˇzn ˇuj´ı asynchronn´ı sériov´ y pˇrenos. Pokud porovnáme RS-485 se standardem ethernet, nebo jin´ ymi s´ıt’ov´ ymi standardy, dojdeme k závˇeru, ˇze nároˇcnost RS-485 protokolu je mnohem menˇs´ı a ˇze jsme schopni vybudovat RS-485 s mnohem niˇzˇs´ımi poˇrizovac´ımi náklady. Standard RS-485 je dostateˇcnˇe pruˇzn´ y, aby nám poskytl v´ ybˇer z r˚ uzn´ ych druh˚ u vys´ılaˇc˚ u, pˇrij´ımaˇc˚ u a dalˇs´ıch komponent (napˇr. v závislosti na délce kabelu, pˇrenosové rychlosti, poˇctu pˇripojen´ ych zaˇr´ızen´ı a nebo na poˇzadavku u ´spory energie). R˚ uzn´ı v´ yrobci nab´ızej´ı RS-485 vys´ılaˇce a pˇrij´ımaˇce v nepˇreberném mnoˇzstv´ı variac´ı a s podporou r˚ uzn´ ych funkc´ı.

2.2

RS-485 pod lupou

Interface ˇsiroce znám´ y jako RS-485 je elektrická specifikace pro systémy typu multipoint, které vyuˇz´ıvaj´ı nevyváˇzené pˇrenosové linky. Protokol RS-485 je velice podobn´ y protokolu RS-422, ale s t´ım rozd´ılem, ˇze RS-422 podporuje pouze jeden vys´ılaˇc a v´ıce pˇrij´ımaˇc˚ u, kdeˇzto RS-485 podporuje v´ıce vys´ılaˇc˚ u a v´ıce pˇrij´ımaˇc˚ u na jedné pˇrenosové lince. Specifikace RS-485 (TIA/EIA-485-A) urˇcuje pˇresné elektrické vlastnosti vysl´ıaˇc˚ u a pˇrij´ımaˇc˚ u. Specifikace zmiˇ nuje kapitoly vztaˇzené ke kabeláˇzi a terminaci pˇrenosov´ ych linek - nespecifikuje vˇsak zapojen´ı konektor˚ u nebo softwarov´ y protokol, jako tomu je napˇr´ıklad u RS-232.

S´ıt’ RS-485 m˚ uˇze m´ıt aˇz 32 pˇripojen´ ych zaˇr´ızen´ı, kde kaˇzdé zaˇr´ızen´ı reprezentuje zat´ıˇzen´ı o vstupn´ı impedanci 12kΩ. V pˇr´ıpadˇe, ˇze v s´ıti vyuˇzijeme vysokoimpedanˇcn´ı zaˇr´ızen´ı, m˚ uˇze m´ıt taková s´ıt’ aˇz 256 prvk˚ u na jeden segment. Pˇrenosová trasa ve specifikaci RS-485 m˚ uˇze b´ yt dlouhá aˇz 1219 metr˚ u a nebo je schopná pˇrenáˇset data rychlost´ı aˇz 10Mbps (tyto podm´ınky nemohou b´ yt splnˇeny souˇcasnˇe). Pˇri pˇrenosové rychlosti 90kbit/s m˚ uˇze b´ yt pˇrenosová trasa dlouhá aˇz 1219 metr˚ u; pˇri 1Mbit/s aˇz 121 metr˚ u; a pˇri 10Mbit/s se maximáln´ı délka pˇrenosové trasy zkracuje na neuvˇeˇriteln´ ych 15 metr˚ u. V pˇr´ıpadˇe, ˇze budeme m´ıt aplikaci, která vyˇzaduje v´ıce pˇripojen´ ych zaˇr´ızen´ı nebo pˇrenosy dat na delˇs´ı vzdálenosti, lze na RS-485 pˇrenosovou trasu nainstalovat opakovaˇce, které budou slouˇzit k regeneraci pˇrenáˇsen´ ych signál˚ u. Vzhledem k faktu, ˇze specifikace RS-485 nedefinuje pˇrenosov´ y

22

Obrázek 2.1: Vliv interference na RS-485

protokol, drtivá vˇetˇsina RS-485 s´ıt´ı vyuˇz´ıvá známé asynchronn´ı protokoly na bázi UART, které jsou podporovány ˇradou poˇc´ıtaˇc˚ u a jin´ ych zaˇr´ızen´ı. V tomto pˇr´ıpadˇe se vyslané slovo skládá ze start bitu následovaného data bitem, volitelnˇe paritn´ım bitem a na závˇer stop bitem.

Oproti RS-232 je RS-485 mnohem lépe imunn´ı v˚ uˇci ˇsum˚ um a ruˇsen´ım, která mohou r˚ uzn´ ymi zp˚ usoby interferovat na pˇrenosov´ ych trasách. RS-485 pˇri pˇrenosu nevztahuje signály v˚ uˇci tzv. signálové zemi, ale signály jsou plovouc´ı a jakákoliv data jsou odeslána jak po signálové trase Sig+ tak i Sig-. Pˇrij´ımaˇc pak porovnává rozd´ıl mezi obˇema pˇrenáˇsen´ ymi signály (odtud diferenˇcn´ı) nam´ısto toho, aby porovnával absolutn´ı hodnotu signálu v˚ uˇci signálové zemi jako tomu je u RS-232. Tento princip se v praxi velice dobˇre osvˇedˇcil a prakticky eliminuje vznik tzv. zemn´ıch smyˇcek, které jsou ˇcasto velk´ ym zdrojem problém˚ u na pˇrenosov´ ych trasách. Nejlepˇs´ıch v´ ysledk˚ u pˇri pˇrenosech se pak dosahuje pokud signálové vodiˇce Sig+ a Sig- jsou v tzv. ”twisted pair” - krouceném páru. Jak je naznaˇceno na Obrázku 2.1, ˇsum je generován magnetick´ ymi poli z okoln´ıho prostˇred´ı datového vodiˇce. Obrázek zobrazuje siloˇca´ry takového magnetického pole a zároveˇ n ˇsumov´ y proud, kter´ y se d´ıky tomuto magnetickému poli do datového vodiˇce indukuje. Pˇri pouˇzit´ı standardn´ıho - rovného - vodiˇce se veˇsker´ y ˇsum indukuje se stejnou polaritou a vzniká tak d´ıky ˇsumu neˇza´douc´ı efekt. V pˇr´ıpadˇe, ˇze pouˇzijeme twisted pair vodiˇc, indukuje se ˇsum do vodiˇc˚ u s opaˇcnou polaritou a pˇri diferenˇcn´ım zp˚ usobu pˇrenosu dat se témˇeˇr

23

Obrázek 2.2: Topologie RS-485

vyruˇs´ı tak, ˇze v´ ysledn´ y ˇsum na komunikaˇcn´ım veden´ı dosahuje velmi n´ızk´ ych hodnot.

2.3

Topologie

Topologie s´ıtˇe RS-485 je d˚ uvodem, proˇc je v dneˇsn´ı dobˇe RS-485 specifikace tak obl´ıben´ ym a ˇsiroce vyuˇz´ıvan´ ym prvkem. Tato specifikace umoˇzn ˇuje jako jediná ze vˇsech pˇripojit na jednu s´ıt’ovou infrastrukturu hned nˇekolik vys´ılaˇc˚ u a pˇrij´ımaˇc˚ u. Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno, dle vstupn´ı impedance pˇripojen´ ych zaˇr´ızen´ı m˚ uˇzeme pˇripojit maximálnˇe 32 resp. 256 zaˇr´ızen´ı a s pouˇzit´ım RS-485 zesilovaˇc˚ u m˚ uˇzeme rozsah takto navrhované s´ıtˇe zv´ yˇsit aˇz na nˇekolik tis´ıc pˇripojen´ ych nód˚ u. Dalˇs´ı v´ yhodou je nepochybnˇe velmi jednoduchá softwarová implementace (na rozd´ıl od RS-232) a proto je toto ˇreˇsen´ı hojnˇe vyhledáváno. Na Obrázku 2.2 je zobrazena vˇseobecná topologie s´ıtˇe RS-485 - N nód˚ u je pˇripojeno do s´ıtˇe typu multipoint. Pro delˇs´ı vzdálenosti a pˇri poˇzadavku na vyˇsˇs´ı rychlosti pˇrenosu dat jsou ukonˇcovac´ı rezistory o jmenovité hodnotˇe 100Ω (terminátory) nezbytnou podm´ınkou na obou konc´ıch pˇrenosové soustavy tak, aby se eliminovaly vˇsechny pˇr´ıpadné odrazy. S´ıt’ typu RS-485 mus´ı b´ yt navrˇzena jako pr˚ ubˇeˇzná linka s odboˇckami - nen´ı moˇzné navrhovat s´ıt’ ve hvˇezdicové topologii z d˚ uvodu nemoˇznosti proveden´ı ˇrádné terminace, d´ıky ˇcem˚ uˇz by doˇslo k razantn´ımu sn´ıˇzen´ı kvality pˇrenáˇseného signálu. A jak RS-485 funguje ve skuteˇcnosti? Standardnˇe se vˇsechny vys´ılaˇce, které jsou pˇripojeny na sbˇernici, nacházej´ı ve vysokoimpedanˇcn´ım stavu. Na nejvyˇsˇs´ı vrstvˇe protokolu je jeden z nód˚ u definován jako MASTER a odes´ılá dotazy nebo pˇr´ıkazy ostatn´ım u ´ˇcastn´ık˚ um pˇrenosu po RS-485 sbˇernici. Vˇsechny ostatn´ı nódy pˇrijmou tato data a na základˇe jejich obsahu mohou pˇr´ıjemci odes´ılateli odpovˇedˇet.

24

V taktovémto pˇr´ıpadˇe m˚ uˇze b´ yt ˇs´ıˇrka pˇrenáˇseného pásma vyuˇzita aˇz na 100 procent. Existuje i jin´ y zp˚ usob implementace RS-485 s´ıtˇe (kter´ y je velmi podobn´ y funkci s´ıtˇe typu Ethernet), kdy m˚ uˇze jak´ ykoliv z nódu v libovoln´ y ˇcas zapoˇc´ıt odes´ılán´ı dat na sbˇernici. V tomto pˇr´ıpadˇe je tˇreba implementovat detekci a korekci chyb (na nejvyˇsˇs´ı vrstvˇe protokolu) a zároveˇ n je tˇreba poˇc´ıtat s niˇzˇs´ı efektivitou cca pouze 37 procent jmenovité pˇrenosové rychlosti. U RS-485 nen´ı vytvoˇren speciáln´ı poˇzadavek na vyp´ınán´ı a zap´ınán´ı vys´ılaˇce na sbˇernici, protoˇze RS-485 vys´ılaˇce jsou vyrábˇeny tak, ˇze se automaticky po odeslán´ı dat (cca mikrosekundy) vrac´ı do vysokoimpedanˇcn´ıho stavu. Z této skuteˇcnosti rovnˇeˇz vycház´ı fakt, ˇze nen´ı nutné provádˇet ˇza´dné prodlevy mezi datov´ ymi pakety, které jsou po RS-485 sbˇernici pˇrenáˇseny. Z hlediska v´ yˇse uveden´ ych poznatk˚ u lze pˇredpokládat, ˇze RS-485 standard bude implementován jeˇstˇe mnoho let do budoucnosti.

25

3

FT232BM

3.1

Obecn´ e vlastnosti

• Jednoduch´ y ˇcip pro pˇrevod rozhan´ı USB na asynchronn´ı sériov´ y datov´ y pˇrenos • Plná podpora funkce handshaking1 • Napájec´ı napˇet´ı od 4,35 do 5,25 V • Pˇrenosová rychlost 300kbps aˇz 3Mbps pro RS-485 rozhran´ı • Buffer 384 byt˚ u pro RX, 128 byt˚ u pro TX • Automatická kontrola vys´ılac´ıho bufferu pro RS-485 • Podpora funkce USB Suspend • Integrovan´ y regulátor 3,3V pro zaˇr´ızen´ı vyˇzaduj´ıc´ı u ´roveˇ n USB napájen´ı • Podpora USB 1.1 a USB 2.0 • USB VID, PID, S/N, a popis produktu uloˇzeny v extern´ı EEPROM pamˇeti • Podpora funkce virtuáln´ıho COM • Podpora pro D2XX ovladaˇce pro prostˇred´ı Win a Linux • Kompatibilita se standardy UHCI/ OHCI/ EHCI • USB bulk pro izochronn´ı pˇrenos dat • Integrovan´ y obvod Power-On-Reset • Integrovan´ y fázov´ y závˇes pro generován´ı hodinového signálu v rozsahu 648 MHz • Spotˇreba 25mA pˇri standardn´ıch operac´ıch

3.2

Blokov´ y diagram

Blokov´ y diagram viz pˇr´ıloha A. 1

automatick´ y proces, kter´ y m´ a za u ´kol nastavit na obou stranách pˇrenosového veden´ı stejné komunikaˇcn´ı parametry

26

3.3

Popis jednotliv´ ych funkˇ cn´ıch blok˚ u

3,3V LDO regul´ ator Generuje referenˇcn´ı napˇet´ı o hodnotˇe 3,3V, které slouˇz´ı k napájen´ı USB vys´ılaˇce a dalˇs´ıch komponent pro práci s USB sbˇernic´ı. Tento prvek vyˇzaduje pˇripojen´ı extern´ıho kapacitoru na pin 3V3OUT integrovaného obvodu. Zároveˇ n tento blok poskytuje napájec´ı napˇet´ı 3,3V na pin RSTOUT. Hlavn´ı funkc´ı tohoto bloku nen´ı napájen´ı ostatn´ıch zaˇr´ızen´ı, ale pˇredevˇs´ım napájen´ı bloku USB vys´ılaˇce a bloku generátoru resetu. Zaˇr´ızen´ı, která potˇrebuj´ı napájen´ı o jmenovité hodnotˇe 3,3V mohou b´ yt pˇripojena rovnˇeˇz na pin 3V3OUT, ovˇsem pouze za pˇredpokladu, ˇze jmenovit´ y odbˇer takovéhoto zaˇr´ızen´ı nepˇrekroˇc´ı hodnotu 5mA. USB vys´ılaˇ c Poskytuje USB konektivitu - vysokorychlostn´ı USB rozhran´ı standardu 1.1/2.0. Vys´ılaˇce slouˇz´ı k odes´ılán´ı dat a kontrole signalizace, zat´ımco diferenˇcn´ı pˇrij´ımaˇc a dva jednoduché pˇrij´ımaˇce poskytuj´ı pˇr´ıchoz´ı USB data, SEO a detekci signálu USB reset. USB DPLL Tento blok se zavˇes´ı v pˇr´ıpadˇe pˇr´ıchoz´ı NRZI USB komunikace a poskytuje separátnˇe hodinov´ y a datov´ y signál do bloku ovladaˇce sériového rozhran´ı. 6MHz oscil´ ator Generuje referenˇcn´ı hodinov´ y signál o jmenovité hodnotˇe 6 MHz za pomoc´ı extern´ıho krystalu nebo keramického rezonátoru a distribuuje tento signál do bloku násobiˇce. N´ asobiˇ c hodin x8 Pˇrij´ımá vstupn´ı signál z bloku oscilátoru a generuje referenˇcn´ı hodinov´ y signál o jmenovité hodnotˇe 6 MHz pro blok ovladaˇce sériového rozhran´ı, ˇr´ızen´ı USB protokolu, a UART fifo kontroler. Dále tento blok generuje referenˇcn´ı hodinov´ y signál o jmenovité hodnotˇe 48 MHz pro blok USB DPLL a generátor pˇrenosové rychlosti. Ovladaˇ c s´ eriov´ eho rozhran´ı Provád´ı konverzi USB dat ze sériového na paraleln´ı a obrácenˇe z paraleln´ıho na sériové rozhran´ı. Podle USB 2.0 specifikace provád´ı tento blok rovnˇeˇz bitovou stabilizaci, kontrolu USB data streamu a rovnˇeˇz provád´ı kontrolu CRC5, CRC16.

27

Du´ aln´ı vys´ılac´ı buffer Data, která pˇricház´ı z USB endpointu a jsou urˇcena pro vys´ılán´ı, jsou ukládána v tomto bloku a následnˇe jsou z tohoto bloku sekvenˇcnˇe pˇrenáˇsena do bloku UART za kontroly bloku UART FIFO kontroleru.

Obrázek 3.1: Pin-Out IO FT232BM - fyzick´ y

Du´ aln´ı pˇ rij´ımac´ı buffer Data, která pˇricház´ı z UART bloku a jsou urˇcena k pˇr´ıjmu, jsou ukládána v tomto bloku a následnˇe jsou z tohoto bloku sekvenˇcnˇe pˇrenáˇsena do ovladaˇce sériového rozhran´ı. UART FIFO kontroler Má na starosti pˇrenos dat mezi pˇrij´ımac´ımi a vys´ılac´ımi buffery na jedné stranˇe a UART vys´ılac´ımi a pˇrij´ımac´ımi registry na stranˇe druhé. UART UART blok obstarává asynchron´ı 7/8 bitovou paralelnˇe-sériovou nebo sériovoparaleln´ı konverzi dat na rozhran´ı typu RS232, RS422, RS485. Kontroln´ı signály podporované blokem UART jsou RTS, CTS, DSR, DTR, DCD a RI. Blok UART poskytuje signál ˇr´ızen´ı pˇr´ıstupu k médiu (TXDEN) pro umoˇznˇen´ı efektivn´ı komunikace na rozhran´ı RS-485.

28

Gener´ ator pˇ renosov´ e rychlosti Vyuˇz´ıvá referenˇcn´ıho hodinového signálu o jmenovité hodnotˇe 48 MHz. Skládá se ze ˇctrnácti nastavovac´ıch a tˇr´ı registraˇcn´ıch bit˚ u, které umoˇzn ˇuj´ı tomotu bloku velmi jemné nastaven´ı pˇrenosové rychlosti pro blok UART v rozsahu od 183 do 3 milión˚ u baud˚ u.

Obrázek 3.2: Pin-Out IO FT232BM - schematick´ y

Gener´ ator resetu Pokskytuje funkci resetu pˇri zapnut´ı integrovaného obvodu. Zároveˇ n má tento blok vstup RESET a v´ ystup RSTOUT, coˇz tomuto integrovanému obvodu umoˇzn ˇuje resetovat dalˇs´ı pˇripojená zaˇr´ızen´ı respektive jin´ ymi zaˇr´ızen´ımi resetovat integrovan´ y obvod FT232BM. V pˇr´ıpadˇe, ˇze prob´ıhá proces resetu, bude se pin RSTOUT nacházet ve stavu log0. V pˇr´ıpadˇe, ˇze nen´ı vyˇzadována funkce resetu zaˇr´ızen´ı FT232BM. m˚ uˇze b´ yt vstupn´ı pin RESET propojen s pinem VCC napájen´ı. EEPROM interface Extern´ı pamˇet’ EEPROM typ˚ u 93C46, 93C56, 93C66 m˚ uˇze b´ yt pouˇzita pro nastaven´ı speciáln´ıch identifikátor˚ u USB rozhran´ı, jako jsou USB VID, PID, sériové

29

ˇc´ıslo, popis produktu a power deskriptoru. Dalˇs´ı vlastnosti, které pˇrináˇs´ı pamˇet’ EEPROM obsahuje napˇr. moˇznost vzdáleného probuzen´ı zaˇr´ızen´ı, mód izochronn´ıho pˇrenosu, pˇr´ımé vypnut´ı pˇri ztrátˇe napájen´ı a módy deskriptor˚ u specifikace USB 2.0. EEPROM pamˇet’ by mˇela b´ yt 16bitová s ˇr´ıdic´ı hodinovou frekvenc´ı o jmenovité hodnotˇe 1Mb/s a se jmenovit´ ym napájec´ım napˇet´ım od 4,35 do 5,25 V. EEPROM pamˇet’ je programovatelná pˇr´ımo jako souˇca´st hotového zaˇr´ızen´ı s pomoc´ı speciáln´ı softwarové utility2 . Tato funkce umoˇzn ˇuje vyuˇz´ıt nenaprogramovanou pamˇet’ jako souˇcást nového zaˇr´ızen´ı a konfigurovat ji aˇz v pr˚ ubˇehu v´ yroby a testován´ı zaˇr´ızen´ı. Pokud nen´ı ˇzádná pamˇet’ EEPROM k zaˇr´ızen´ı pˇripojena nebo je pamˇet’ EEPROM prázdná vyuˇzije FT232BM standardn´ı deskriptory z v´ yroby a v takovém pˇr´ıpadˇe nebude m´ıt zaˇr´ızen´ı pˇri pˇrepojen´ı na USB stejné sériové ˇc´ıslo. Zapojen´ı jednotliv´ ych pin˚ u je vyobrazeno na Obrázku 3.1 a Obrázku 3.2.

2

viz kapitola 7

30

4

EEPROM 93C56B

4.1


• Funkce pˇri napájec´ım napˇet´ı od 4,5 do 5,5 V • N´ızkopˇr´ıkonová CMOS technologie (odbˇer 1mA v aktivn´ım stavu; odbˇer 1µA ve stand-by reˇzimu) • Organizace ve formátu 128 x 16 bit˚ u - na rozd´ıl od verze 93C56A (256x8), která by byla pro pouˇzit´ı s FT232BM nevhodná ´ ´ • Automatické ˇcasován´ı cykl˚ u ZAPIS a VYMAZ • Standardn´ı pr˚ umyslové tˇr´ıdrátové rozhran´ı • Sekvenˇcn´ı funkce ˇcten´ı dat ´ ´ • Signalizace v pr˚ ubˇehu operace ZAPIS nebo VYMAZ ´ ´ • Garantovan´ y poˇcet 100 000 operac´ı ZAPISU nebo VYMAZU ˇ • Zivotnost uloˇzen´ ych dat v´ıce neˇz 200 let Jedná se o dvoukilobitovou n´ızkonapˇet’ovou sériovou elektricky vymazatelnou pamˇet’ typu PROM konfigurovanou s uspoˇra´dán´ım 128 x 16 bit˚ u. Vyspˇelá CMOS technologie vybavuje tuto pamˇet’ velmi n´ızk´ ym odbˇerem - je urˇcena pro maximáln´ı napájec´ı napˇet´ı o jmenovité hodnotˇe 7V.

4.2

Blokov´ y diagram

Blokov´ y diagram viz Obrázek 4.1.

4.3

Popis jednotliv´ ych pin˚ u

V´ ybˇ er chipu (CS0) Logická hodnota jedna pˇrivedená na pin pamˇeti CS0 vyb´ırá dané zaˇr´ızen´ı. Logická hodnota nula provede zruˇsen´ı oznaˇcen´ı pamˇeti a pˇrepne ji do stand-by (klidového reˇzimu). V pˇr´ıpadˇe, ˇze právˇe prob´ıhá programovac´ı cyklus, nebude tento nijak ovlivnˇen hodnotou této funkce a právˇe provádˇená operace bude dokonˇcena a zaˇr´ızen´ı se pˇrevede do stand-by reˇzimu po proveden´ı programovac´ı operace.

31

Obrázek 4.1: Blokov´ y diagram EEPROM pamˇeti 93c56b

S´ eriov´ e hodiny (CLK) Sériové hodiny jsou vyuˇzity pro synchronizaci komunikace mezi hlavn´ım zaˇr´ızen´ı a pamˇet´ı. Pˇri vzestupné hranˇe CLK je provedeno ˇcten´ı dat. Generován´ı CLK m˚ uˇze b´ yt pˇreruˇseno v jakémkoliv okamˇziku a m˚ uˇze v nˇem b´ yt pokraˇcováno v jakémkoliv jiném ˇcase. Vstupn´ı data (DI) Tento pin je vyuˇzit ke ˇcten´ı startovac´ıho bitu, kódu operace, adresy a dat zcela synchronˇe ve spolupráci se vstupem CLK V´ ystupn´ı data (DO) ˇ Í dat pro vys´ılán´ı obsahu pamˇeti synchronnˇe Pin DO je vyuˇzit v reˇzimu CTEN s CLK. Tento pin zároveˇ n poskytuje informaci o pˇripravenosti nebo obsazenosti bˇehem mazán´ı a zápisu dat do pamˇeti. Zapojen´ı jednotliv´ ych pin˚ u integrovaného obvodu je vyobrazeno na Obrázku 4.2.

32

Obrázek 4.2: Pinout EEPROM pamˇeti 93c56b v obou proveden´ıch

33

5

LTC485

5.1


• N´ızk´ y odbˇer typicky Icc = 300µA • Zaˇr´ızen´ı urˇcené pro RS 485 aplikace • Napájec´ı napˇet´ı od 4,75 do 5,25 V • Typická hystereze vstupu 70mV • Vys´ılaˇc se automaticky pˇrestavuje do stavu vysoké impedance ve ’tˇret´ım stavu’ nebo pˇri vypnut´ı • Kombinovaná impedance vys´ılaˇce a pˇrij´ımaˇce umoˇzn ˇuje pˇripojen´ı aˇz 32 zaˇr´ızen´ı na sbˇernici • Aplikace jako RS485/RS422 vys´ılaˇc nebo konvertor u ´rovn´ı LTC485 je n´ızkopˇr´ıkonov´ y diferenˇcn´ı linkov´ y vys´ılaˇc urˇcen´ y pro pˇrenosy dat typu multipoint ve standardu RS485 s rozˇs´ıˇren´ ym soufázov´ ym rozsahem (12 aˇz -7V). Toto zaˇr´ızen´ı rovnˇeˇz splˇ nuje poˇzadavky RS422. Struktura typu CMOS umoˇzn ˇuje v´ yznamnou u ´sporu energie. Pˇrij´ımaˇc je vybaven ochrannou funkc´ı, která garantuje pˇrepnut´ı do vysokoimpedanˇcn´ıho stavu i pˇres otevˇrené vstupy.

5.2

Sch´ ema zapojen´ı

Blokov´ y diagram viz Obrázek 5.1.

Obrázek 5.1: Pinout integrované struktury LTC485 vˇc. vnitˇrn´ı struktury

34

5.3

Popis jednotliv´ ych pin˚ u

V´ ystup pˇ rij´ımaˇ ce (RO) Pokud je v´ ystup pˇrij´ımaˇce aktivn´ı (RE je v logické nule) pak plat´ı, ˇze RO bude v logické jedniˇcce, pokud napˇet´ı na pinu A bude vˇetˇs´ı neˇzli na pinu B; v opaˇcném pˇr´ıpadˇe bude RO nab´ yvat hodnoty logické nuly. Aktivace pˇ rij´ımaˇ ce (RE) Logická nula pˇrivedena na tento pin aktivuje pˇrij´ımaˇc - pin RO - logická jedniˇcka pˇrivedena na tento pin pˇrepne pˇrij´ımaˇc do vysokoimpedanˇcn´ıho stavu. Aktivace vys´ılaˇ ce (DE) Logická jedniˇcka pˇrivedena na tento pin aktivuje vys´ılaˇc - piny A, B a ˇcip budou fungovat jako linkov´ y vys´ılaˇc - logická nula pˇrivedena na tento pin pˇrepne vys´ılaˇc do vysokoimpedanˇcn´ıho stavu a ˇcip bude nadále fungovat jako pˇrij´ımaˇc. Vstup vys´ılaˇ ce (DI) Pokud je vys´ılaˇc aktivován (DE ve stavu high), pak logická nula na pinu DI pˇrepne pin A do stavu LOW a pin B do stavu HIGH; logická jedniˇcka na pinu DI pˇrepne pin A do stavu HIGH a pin B do stavu LOW. Zem (GND) Pin A Pin A vys´ılaˇce/pˇrij´ımaˇce Pin B Pin B vys´ılaˇce/pˇrij´ımaˇce Vcc Napájen´ı integrovaného obvodu v rozsahu 4,75 aˇz 5,25 V

35

6 6.1

REALIZACE HARDWARU Nap´ ajen´ı pˇ revodn´ıku

Z v´ yˇse uveden´ ych specifikac´ı komponent vypl´ yvá, ˇze vˇsechny m˚ uˇzeme napájet ze stejné u ´rovnˇe napájec´ıho napˇet´ı o jmenovité hodnotˇe 5V . Vˇsechny komponenty maj´ı povolenou toleranci napájec´ıho napˇet´ı, ˇciliˇze se nemus´ıme soustˇredit na pˇresn´ y napájec´ı zdroj. V zásadˇe máme dvˇe moˇznosti ˇreˇsen´ı a to cel´ y pˇrevodn´ık napájet extern´ım napájac´ım zdrojem nebo pˇr´ımo ze sbˇernice USB poˇc´ıtaˇce. Protoˇze zapojen´ı extern´ıho napájec´ı adaptéru nen´ı vˇzdy plnˇe komfortn´ı, provedli jsme realizaci pˇrevodn´ıku s napájen´ım ze sbˇernice USB. Specifikace nám dovoluje zat´ıˇzit sbˇernici proudem maximálnˇe 100mA a celková spotˇreba zaˇr´ızen´ı uvedeného do stand-by reˇzimu nesm´ı pˇrekroˇcit hodnotu 500µA. Iakt = If t232bm + I93c56 + Iltc485 (mA) Iakt = 25 + 1 + 0, 3mA Iakt = 26, 3mA Istd = If t232bm + I93c56 + Iltc485 (mA) Istd = 0, 2 + 0, 001 + 0, 3mA Istd = 0, 501mA Celkov´ y odbˇer zaˇr´ızen´ı tedy vycház´ı 26, 3mA ve standardn´ım stavu a 501µA v reˇzimu stand-by, lze tedy takovéto zaˇr´ızen´ı napájet pˇr´ımo ze sbˇernice USB. Pin 14 ˇcipu FT232BM bude nutné uzemnit, abychom ˇcipu sdˇelili, ˇze budeme vyuˇz´ıvat napájen´ı ze sbˇernice USB a aby ˇcip tomuto faktu pˇrizp˚ usobil Power deskriptor. Celkovou hodnotu odeb´ıraného proudu bude pozdˇeji moˇzno doprogramovat do Power deskriptoru EEPROM pamˇeti na pˇresnˇe urˇcenou hodnotu. Pˇri návrhu napájec´ıho obvodu bylo nutno vz´ıt v potaz fakt, ˇze by se mohla pˇr´ıpadná elektromagnetická interference, kterou zaˇr´ızen´ı generuje, ˇs´ıˇrit z pˇrevodn´ıku po USB kabelu smˇerem do pˇripojeného zaˇr´ızen´ı. Proto bude vhodné do návrhu napájec´ıho obvodu do série s napájen´ım zapojit tlumivku, která bude toto ruˇsen´ı eliminovat. Tlumivka byla zvolena s následuj´ıc´ımi parametry: R = 0, 65Ω; Imax = 200mA; SRF = 125M Hz. ˇ FT232BM je navrˇzen tak, ˇze celková impedance vys´ılaˇce liky USB poˇc´ıtá se Cip zapojen´ım extern´ıch rezistor˚ u o jmenovité hodnotˇe 27Ω na kaˇzd´ y z pin˚ u USBDP a USBDM. Ve specifikaci je dále uvedeno ˇze pin USBDP vyˇzaduje extern´ı rezistor o hodnotˇe 1, 5kΩ pˇripojen´ y na piny RSTOUT nebo 3V3OUT. Vzhledem k tomu, ˇze nebudeme cht´ıt u pˇrevodn´ıku vyuˇz´ıvat moˇznost resetovat ˇcip FT232BM, deaktivujeme vstup RESET pˇripojen´ım na napájec´ı napˇet´ı VCC. Pin 3V3OUT poˇc´ıtá se

36

zapojen´ım extern´ıho 33nF kapacitoru smˇerem na zem. Napájen´ı pamˇeti EEPROM provedeme pˇriveden´ım napájec´ıho napˇet´ı na pin Vcc - zem na pin Vss. U transceiver˚ u pro RS485 pˇrivedeme napájec´ı napˇet´ı na pin Vcc a GND. Celkové schéma napájen´ı pˇrevodn´ıku je naznaˇceno na Obrázku 6.1. Obrázek 6.1: Schéma napájen´ı obvod˚ u pˇrevodn´ıku

6.2

Pˇ ripojen´ı krystalu

ˇ FT232BM vyˇzaduje extern´ı krystal nebo keramick´ Cip y rezonátor pˇripojen´ y na vstupn´ıch pinech XTIN a XTOUT, kter´ y umoˇzn´ı tomuto obvodu funkce vnitnˇr´ıch a vnˇejˇs´ıch hodin. Pro naˇsi aplikaci byl zvolen krystal o hodnotˇe 6 MHz. Krystal je nutno dovybavit dvˇema keramick´ ymi kondenztátory o hodnotˇe 27pF, které budou spojeny proti zemi a budou slouˇzit pro krystal jako zátˇeˇz a umoˇzn´ı nám tak dosáhnout kmitoˇctové stability. Schématické vyobrazen´ı zapojen´ı krystalu je naznaˇceno na Obrázku 6.2.

37

Obrázek 6.2: Schéma pˇripojen´ı krystalu k FT232BM

6.3

Pˇ ripojen´ı pamˇ eti EEPROM

Obrázek 6.3 znázorˇ nuje propojen´ı FT232BM s EEPROM pamˇet´ı 93C56B. EECS je pˇr´ımo propojen s pinem v´ ybˇeru ˇcipu (CS) pamˇeti EEPROM, EESK je pˇr´ımo propojen s pinem hodinového taktu (SK) a EEDATA je pˇr´ımo propojen s pinem vstupn´ıch dat (DIN). Pˇri propojen´ı pin˚ u DOUT pamˇeti EEPROM a EEDATA ˇcipu FT232BM je tˇreba vz´ıt v potaz fakt, ˇze jak pamˇet’ tak i pˇrevodn´ık mohou ve stejn´ y okamˇzik odes´ılat data na uveden´ ych pinech a aby v takovém pˇr´ıpadˇe nedocházelo k napˇet’ové kolizi vloˇz´ıme do dané cesty rezistor o jmenovité hodnotˇe 2k2, coˇz je hodnota doporuˇcená v´ yrobcem. V pˇr´ıpadˇe, ˇze ˇcip FT232BM provede operaci power-on reset nebo ˇzádost reset jdouc´ı ze sbˇernice USB a pokud najde na své sbˇernici pˇripojenou pamˇet’ EEPROM a zároveˇ n data v pamˇeti EEPROM budou platná, vyuˇzije ˇcip tyto deskriptory pro svou konfiguraci a ˇcinnost. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe je pamˇet’ ignorována a ˇcip nahraje standardn´ı hodnoty, které jsou definované v´ yrobou. V pˇr´ıpadˇe, ˇze ˇcip FT232BM odeˇsle data do pamˇeti, tato potvrd´ı korektn´ı pˇr´ıjem dat t´ım, ˇze nastav´ı DOUT pin na hodnotu logické nuly. Abychom mohli detekovat takovéto potvrzen´ı, pˇripoj´ıme pin DOUT pˇres 10kΩ rezistor na napájec´ı napˇet´ı, coˇz zp˚ usob´ı, ˇze pokud nedojde k potvzren´ı korektn´ıho pˇr´ıjmu ze strany EEPROM, bude pin ˇcipu FT232BM d´ıky rezistoru v hodnotˇe logické jedniˇcky a zaˇr´ızen´ı tak bude moci detekovat chybu pˇri pˇrenosu dat smˇerem do pamˇeti.

38

Obrázek 6.3: Schéma pˇripojen´ı pamˇeti EEPROM k FT232BM

6.4

Pˇ ripojen´ı linkov´ eho vys´ılaˇ ce/pˇ rij´ımaˇ ce

Obrázek 6.4 znázorˇ nuje propojen´ı UART rozhran´ı FT232BM s RS485 linkov´ ym pˇrij´ımaˇcem/vys´ılaˇcem. Pro u ´ˇcel RS485 rozhran´ı vyuˇzijeme integrovaného obvodu LTC485 of firmy Linear Technology, kter´ y má separátn´ı ovládán´ı pˇrij´ımaˇce a vys´ılaˇce. S vyuˇzit´ım pinu TXDEN ˇcipu FT232BM zajist´ıme, ˇze RS485 vys´ılaˇc bude aktivován pouze v pˇr´ıpadˇe, ˇze budou na UART rozhran´ı ˇcipu vys´ılána smˇerem do RS485 nˇejaká data. Protoˇze pˇrij´ımaˇc RS485 je aktivn´ı pouze ve stavu logické nuly (viz kapitola 5.2), m˚ uˇzeme vyuˇz´ıt pin ˇcipu FT232BM PWREN k deaktivaci RS485 rozhran´ı v pˇr´ıpadˇe, ˇze se celé zaˇr´ızen´ı dostane d´ıky povelu na USB do tzv. suspend módu (zaˇr´ızen´ı nen´ı aktivn´ı a odeb´ırá minimáln´ı klidov´ y proud). Dále je tˇreba v zapojen´ı um´ıstit rezistor o jmenovité hodnotˇe 120Ω, abychom zajistili ˇrádnou terminaci linky RS-485 a zabránili tak odraz˚ um, které by mohly degradovat pˇrenáˇsen´ y signál (viz. kapitola 2.3). Vzhledem k zapojen´ı vys´ılaˇce/pˇrij´ımaˇce linky RS-485 je tˇreba jeˇstˇe oˇsetˇrit stav, kdy m˚ uˇze b´ yt vys´ılan´ y signál zachytáván zpˇetnˇe pˇrij´ımaˇcem a je pak tˇreba softwarovˇe oddˇelovat odeslaná data z pˇrij´ımac´ıho kanálu. Tento stav byl oˇsetˇren s pouˇzit´ım logického obvodu. Pokud nedojde k propojen´ı v´ ystupu pˇrij´ımaˇce RS-485 a pinu RXD na UART rozhran´ı ˇcipu FT232BM a pokud v´ ystup pˇrij´ımaˇce zpracuji logickou funkc´ı OR se signálem TXDEN a takov´ y v´ ystupn´ı signál pouˇziji pro ˇr´ızen´ı RXD, hardwarovˇe t´ım zajist´ıme, ˇze vys´ılaná data nebudou souˇcasnˇe zachytávána pˇrij´ımaˇcem. Toto ˇreˇsen´ı je z mého pohledu mnohem v´ıce estetické, neˇz následné oˇsetˇren´ı v softwaru aplikace, která pˇrevodn´ık vyuˇz´ıvá. Jako v´ ykonnou jednotku funkce OR zvol´ıme integrovan´ y obvod 74LS32D, kter´ y obsahuje

39

ˇctyˇri obvody dvoustupového hradla OR. Obrázek 6.4: Schéma pˇripojen´ı linkového pˇrij´ımaˇce/vys´ılaˇce RS-485

6.5

ˇ ızen´ı pˇ R´ r´ıstupu

RS-485 pˇredstavuje dvoudrátovou sbˇernici, po které lze oboustrannˇe pˇrenáˇset data. Protoˇze ale nelze pˇrenáˇset data obˇema smˇery souˇcasnˇe, mus´ıme zde zajistit ˇr´ızen´ı smˇeru pˇrenosu. Je tˇreba zajistit takov´ y stav, abychom ˇr´ıdic´ım signálem zapnuli vys´ılaˇc sbˇernice na dobu, která je nezbytnˇe nutná pro uskuteˇcnˇen´ı datového pˇrenosu a ihned po skonˇcen´ı této doby, aby byl vys´ılaˇc opˇet deaktivován:

void vysilani(char *buffer, int delka) { int a; for (a=0;a<delka;a++) { while(STATUS_REG & TX_FULL); TX_REG=*buffer++; } TX_DISABLE(); } Dle [8] je praktick´ ymi pokusy odzkouˇseno, ˇze v takovém pˇr´ıpadˇe fyzicky posledn´ı vys´ılan´ y znak (nebo i v´ıce) nen´ı ve skuteˇcnosti odvys´ılán, protoˇze takov´ y znak nen´ı jiˇz na UART sbˇernici, ale jeˇstˇe nestihl b´ yt odvys´ılán a pˇritom je jiˇz RS485

40

vys´ılaˇc deaktivován. Tato situace nastává vzhledem k návrhu UART, protoˇze status bufferu indikuje okamˇzik, kdy je UART prázdn´ y pro dalˇs´ı zápis bytu. Ovˇsem tato indikace neznamená, ˇze UART jiˇz dokonˇcil pˇrenos posledn´ıho zpracovávaného bytu. Existuj´ı vˇsak naˇstˇest´ı metody, jak takovou chybu lze softwarovˇe nebo hardwarovˇe odstranit: Prodlouˇ zen´ı smyˇ cky Po odvys´ılán´ı posledn´ıho bytu z UART ˇcip provede ˇcekán´ı tak, aby vzniklo dostateˇcné mnoˇzstv´ı ˇcasu na to, aby mohl b´ yt i posledn´ı byte odvys´ılán smˇerem na RS-485. Tato metoda funguje velice spolehlivˇe, ovˇsem velk´ y problém nastává v pˇr´ıpadˇe, ˇze budeme cht´ıt odvys´ılat pouze jedin´ y znak (NAK, ACK). V tomto pˇr´ıpadˇe vznikne po odvys´ılán´ı znaku jeˇstˇe mezera na dalˇs´ı znak a vys´ılaˇc je zbyteˇcnˇe drˇzen v aktivn´ım stavu.

void vysilani(char *buffer, int delka) { int a; for (a=0;a<delka;a++) { while(STATUS_REG & TX_FULL); TX_REG=*buffer++; } delay(TX_FIFO_LEN_PLUSCHAR); TX_DISABLE(); } Prodlouˇzen´ı smyˇcky se dá provádˇet i dalˇs´ımi metodami jako je napˇr´ıklad systémové volán´ı s vyuˇzit´ım RTOS; hardwarového timeru; doplˇ nován´ı vys´ılaného ˇretˇezce nebo sofistikovaného UART. Vzhledem k tomu, ˇze FT232BM tyto metody nevyuˇz´ıvá nen´ı nutné se jimi v této práci detailnˇeji zab´ yvat. Loop-back Tuto metodu vyuˇz´ıvá integrovan´ y obvod LTC485 vyuˇzit´ y pˇri realizaci a je jedna z nejpˇresnˇejˇs´ıch a nej´ uˇcinnˇejˇs´ıch v této oblasti. Princip této metody spoˇc´ıvá v pˇr´ıjmu dat, která se právˇe vys´ılaj´ı na sbˇernici RS-485 a pouˇz´ıvaj´ı se k urˇcen´ı okamˇziku, kdy se vys´ılán´ı ukonˇc´ı. Pro vyuˇzit´ı této metody je nezbytné, aby ˇcip, kter´ y hodláme pouˇz´ıt, byl vybaven touto vlastnost´ı, tj. aby v´ ystup vys´ılaˇce byl internˇe propojen ve struktuˇre se vstupem pˇrij´ımaˇce viz Obrázek 5.1. Loop-back struktura nám tak

41

umoˇzn ˇuje aplikovat velmi pˇresn´ y zp˚ usob pˇrep´ınán´ı smˇer˚ u.

6.6

Automatick´ y zp˚ usob pˇ rep´ın´ an´ı smˇ er˚ u

Na Obrázku 6.4 si m˚ uˇzeme povˇsimnout, ˇze pro LTC485 a pin DE (ˇr´ızen´ı vys´ılaˇce sbˇernice) je pˇriveden a vyuˇz´ıván pin TXDEN z ˇcipu FT232BM. V tomto pˇr´ıpadˇe je tedy ˇr´ızen´ı ˇreˇseno zcela automaticky ˇcipem FT232BM, kter´ y se chová jako zdroj ˇr´ıd´ıc´ıho signálu pro zap´ınán´ı a vyp´ınán´ı vys´ılaˇc˚ u na sbˇernici RS-485.

6.7

ˇ ızen´ R´ y zp˚ usob pˇ rep´ın´ an´ı smˇ er˚ u

Pokud nebudeme z nˇejakého d˚ uvodu (pˇrenosová rychlost, charakter pˇrenáˇsen´ ych dat) cht´ıt vyuˇz´ıt vlastnost funkce automatického zp˚ usobu pˇrp´ınán´ı smˇer˚ u, m˚ uˇzeme zvolit ˇr´ızen´ y zp˚ usob. V takovém pˇr´ıpadˇe budou piny TXDEN a DE vzájemˇe rozpojeny. Ovládán´ı DE pak mus´ıme zajistit manuálnˇe s vyuˇzit´ım softwarového vybaven´ı poˇc´ıtaˇce, ke kterému je konvertor pˇripojen. Pro ˇr´ızen´ y zp˚ usob pˇrep´ınán´ı smˇer˚ u je s vyuˇzit´ım signálu RTS (tzv. RTS control). V takovém pˇr´ıpadˇe je plnˇe na softwaru, aby obsluhoval ˇr´ıd´ıc´ı signál RTS a v okamˇziku poˇzadavku na vyslán´ı dat aby tuto informaci s pomoc´ı RTS pˇredal na DE linkového vys´ılaˇce. Obrázek 6.5 vyobrazuje pˇrenáˇsenou zprávu s pˇrihlédnut´ım na stav signálu RTS, kter´ y je v takovém pˇr´ıpadˇe potˇrebn´ y pro u ´spˇeˇsné odvys´ılán´ı dat.

ˇ ızen´ Obrázek 6.5: R´ y zp˚ usob pˇrep´ınán´ı smˇer˚ u s vyuˇzit´ım RTS

6.8

Vyv´ aˇ zen´ı pˇ renosv´ e linky RS-485

Vzhledem k tomu, ˇze nˇekteré pˇrenosové trasy mnohdy vykazuj´ı urˇcit´ y stupeˇ n zaruˇsen´ı, byl pˇrevodn´ık vybaven pˇr´ıdavn´ ymi vyvaˇzovac´ımi rezistory R11 a R12.

42

Vzhledem k tomu, ˇze pˇrenosová trasa pouˇz´ıvá diferenˇcn´ıho signálu, m˚ uˇze se v zaruˇsen´ ych oblastech stát (napˇr. pr˚ umyslové vyuˇzit´ı), ˇze na RS-485 nebudou právˇe prob´ıhat ˇza´dné datové pˇrenosy a vˇsechny vys´ılaˇce se pˇrepnou do vysokoimpedanˇcn´ıho stavu. V pˇr´ıpadˇe, ˇze se do plovouc´ıch vodiˇc˚ u naindukuje vyˇsˇs´ı napˇet´ı neˇz 0,2V, systém jiˇz takov´ y diferenˇcn´ı signál posuzuje jako uˇziteˇcn´ y. V tˇechto pˇr´ıpadech by mohlo nastávat, ˇze se bude objevovat na sbˇernici tzv. ’datov´ y ˇsum’ tj. náhodnˇe zachycen´ y datov´ y signál nulové informaˇcn´ı hodnoty. Pˇrep´ınaˇc´ı S5 a S6 DIP sp´ınaˇce, je moˇzné uvést jednotlivé vodiˇce pˇrenosové linky pˇres rezistory o jmenovité hodnotˇe 150Ω na zem.

6.9

Konfigurace

Aby mˇel uˇzivatel moˇznost konfigurovat RS-485 pˇrevodn´ık dle konkrétn´ı situace, je obvod vybaven ˇsesti mikrosp´ınaˇci v proveden´ı DIP. Kaˇzd´ y z nich m˚ uˇze uˇzivatel uvést do jednotliv´ ych poloh ON a OFF a konfigurovat tak systém dle následuj´ıc´ı tabulky:

Tabulka 6.1: Konfigurace pˇrevodn´ıku s pomoc´ı mikro DIP pˇrep´ınaˇc˚ u Oznaˇ cen´ı Hodnota S1 S2 S1 S2 S3 S4 S3 S4 S5 S5 S6 S6

ON OFF OFF ON ON OFF OFF ON ON OFF ON OFF

Funkce Automatick´ y zp˚ usob pˇrep´ınán´ı smˇer˚ u ˇ ızen´ R´ y zp˚ usob pˇrep´ınán´ı smˇer˚ u Potlaˇcit lokáln´ı ECHO na RS-485 Nepoltaˇcovat lokáln´ı ECHO na RS-485 Vyváˇzen´ı linky A sbˇernice RS-485 Nevyvaˇzovat linku A Vyváˇzen´ı linky B sbˇernice RS-485 Nevyvaˇzovat linku B

Pozor! Pˇ restaven´ı mikrosp´ınaˇ c˚ u mus´ı b´ yt provedeno pouze na odpojen´ em pˇ revodn´ıku!

43

6.10

Dokonˇ cen´ı

Po návrhu vˇsech zásadn´ıch ˇcást´ı pˇrevodn´ıku jeˇstˇe dozapoj´ıme LED diody pro indikaci pˇrij´ıman´ ych a vys´ılan´ ych dat na RS-485 sbˇernici, microdip pˇrep´ınaˇc pro moˇznost konfigurace pˇrevodn´ıku a vzájemˇe propoj´ıme vˇsechny navrhované ˇca´sti do jednoho funkˇcn´ıho celku. Protoˇze zaˇz´ızen´ı m˚ uˇze b´ yt velice ˇcasto vyuˇz´ıvané k pˇrenáˇsen´ı v kombinaci s notebookem ˇci poˇc´ıtaˇcem, byl návrh proveden v technologii SMT - velikost souˇca´stek 0805. Samotnoá realizace byla provedena s pomoc´ı mikropájeˇcky a za vyuˇzit´ı tavidla. Pˇri nákupu souˇca´stek m˚ uˇze nastat drobn´ y problém v podobˇe pˇresnosti vyrábˇen´ ych rezistor˚ u. Rezistory v proveden´ı SMD velikosti 0805 jsou totiˇz bˇeˇznˇe vyrábˇeny v ˇradˇe E6, coˇz v pˇr´ıpadˇe rezistor˚ u R7,R11 a R12 vytvoˇr´ı pˇrekáˇzku. Vzhledem k tomu, ˇze rezistory R11, R12 jsou vyvaˇzovac´ı a R7 jako terminátor, nebude dodrˇzen´ı jejich pˇresné jmenovité hodnoty pro funkˇcnost obvodu kritické a proto doˇslo k jejich nahrazen´ı rezistory z ˇrady E6 o hodnotách 100Ω. Fotografie realizované a osazené DPS pˇrevodn´ıku jsou v na Obrázku H.1, Obrázku I.1, Obrázku J.1 a Obrázku K.1.

6.11

Mˇ eˇ ren´ı obvodu

Spotˇ reba Spotˇreba pˇrevodn´ıku byla urˇcena za pomoc´ı digitáln´ıho multimetru Metex M-3270D, kter´ y byl zapojen dle Obrázku 6.6. Mˇeˇren´ım jsme zjistili, ˇze obvodem protékal proud 38,06mA. Tato hodnota je vyˇsˇs´ı neˇz p˚ uvodn´ı kalkulovaná hodnota v kapitole 6.1 této bakaláˇrské práce, která udávala hodnotu 26,3mA, ovˇsem byla v n´ı zapoˇctena ˇcistˇe jen spotˇreba pouˇzit´ ych integrovan´ ych obvod˚ u. Diference v odeb´ıraném proudu je zp˚ usobena LED diodou napájen´ı (cca 12mA). Odbˇer obvodu se tak m˚ uˇze v závislosti na aktivitˇe diod indikace vys´ılán´ı a pˇr´ıjmu na sbˇernici RS-485 i nadále mˇenit - maximáln´ı spotˇreba vˇsak nepˇresáhne hodnotu 100mA, kterou udává specifikace standardu USB. Vliv nastaven´ı lok´ aln´ıho echa na pˇ rij´ıman´ y sign´ al Jak jiˇz bylo popsáno v kapitole 6.4 této práce, v pˇrevodn´ıku je hardwarovˇe zajiˇstˇeno, ˇze vys´ılaná data na sbˇernici RS-485 nebudou zároveˇ n zachytávána lokáln´ım pˇrij´ımaˇcem (tzv. lokáln´ı echo). V pˇr´ıpadˇe, ˇze je lokáln´ı echo potlaˇceno (konfigurace dle kapitoly 6.9), nejsou vys´ılaná data lokálnˇe pˇrij´ımána. V pˇr´ıpadˇe, ˇze to bude aplikace vyˇzadovat, dá se lokáln´ı echo potlaˇcit, ˇc´ımˇz nastane situace, kdy vys´ılaná data jsou

44

Obrázek 6.6: Schéma zapojen´ı mˇeˇren´ı spotˇreby

zpˇetnˇe zachytávána lokáln´ım pˇr´ıj´ımaˇcem. Pˇr´ıklad namˇeˇrn´ y v obvodu pˇri vys´ılán´ı sekvence 10110 je ilustrován na Obrázku 6.7.

Obrázek 6.7: Vliv konfigurace lokáln´ıho echa

Mˇ eˇ ren´ı pr˚ ubˇ ehu sign´ alu na RS-485 Pro ovˇeˇren´ı funkˇcnosti pˇrevodn´ıku bylo nutné zajistit mˇeˇren´ı pr˚ ubˇehu signálu na sbˇernici RS-485. Mˇeˇren´ı bylo provedeno digitáln´ım osciloskopem HDS 1022M na pinech 1 a 8 zásuvky RJ45 pˇrevodn´ıku (RS-485 rozhran´ı). Mˇeˇren´ı bylo provedeno pˇri pˇrenosu ASCII znaku ’F’ smˇerem k pˇripojené RFID ˇcteˇcce typu UW-485, která vyuˇz´ıvá komunikaˇcn´ı rozhran´ı RS-485 pˇri rychlosti 250kBaud. Teoreticky oˇcekávan´ y v´ ysledek pr˚ ubˇeh˚ u jednotliv´ ych signálu na pinech A,B je naznaˇcen na Obrázku 6.8, reáln´ y namˇeˇren´ y diferenˇcn´ı pr˚ ubˇeh je vyobrazen na Obrázku 6.9 této práce. Pr˚ ubˇehy signál˚ u na jednotliv´ ych vodiˇc´ıch A,B proti zemi je na obrázku 6.10.

45

Obrázek 6.8: Teoretick´ y pr˚ ubˇeh signálu pˇri odes´ılán´ı znaku ’F’

Obrázek 6.9: Pr˚ ubˇeh signálu pˇri odes´ılán´ı znaku ’F’

46

Obrázek 6.10: Pr˚ ubˇehy signál˚ u na jednotliv´ ych vodiˇc´ıch veden´ı

47

7

SOFTWARE

V´ yrobce ˇcipu FT232BM1 dodává sv˚ uj ˇcip FT232BM vˇcetnˇe ovladaˇc˚ u, které 2 je moˇzno stáhnout z jejich internetov´ ych stránek . V souˇcasné dobˇe je driver dodáván pod názvem CDM (Combined Driver Model) a obsahuje jak ovladaˇce typu D2XX pro pˇr´ım´ y pˇr´ıstup k USB zaˇr´ızen´ı, tak i ovladaˇce typu VCP (Virtual Com Port), které umoˇzn ˇuj´ı emulovat USB zaˇr´ızen´ı jako COM port v poˇc´ıtaˇci typu PC. Ovladaˇce podporuj´ı operaˇcn´ı systémy Windows, Mac OS X, Linux, Windows CE. VCP ovladaˇc se skládá ze dvou vrstev - FTDIBUS.SYS (obstarává vytvoˇren´ı sériového portu a pˇr´ıstup k USB zaˇr´ızen´ı) a FTSER2K.SYS (implementace pro sériov´ y port). Schéma struktury ovladaˇce typu VCP je uvedené na Obrázku 7.1. D2XX je vyuˇz´ıván v situac´ıch, kdy nen´ı komunikace pˇres sériov´ y port vyˇzadována. Umoˇzn ˇuje pˇr´ıstup k zaˇr´ızen´ı s pomoc´ı D2XX API. Ovladaˇc je implementován jako nednovrstv´ y, kdy FTD2XX.SYS je volán s pomoc´ı knihovny FTD2XX.DLL. Schéma struktury ovladaˇce typu D2XX je vyobrazeno na Obrázku 7.2. V´ yhodou Obrázek 7.1: Schéma struktury ovladaˇce typu VCP

ˇcipu FT232BM je, ˇze v konfiguraˇcn´ım desktiptoru zaˇr´ızen´ı je v pamˇeti EEPROM uloˇzeno nastaven´ı, jak´ y ovladaˇc má b´ yt pouˇzit v závislosti na jeho typu. V tomto pˇr´ıpadˇe, lze tedy do EEPROM pamˇeti zaˇr´ızen´ı uloˇzit informaci o tom, aby vˇzdy 1 2

FTDI Chip

48

Obrázek 7.2: Schéma struktury ovladaˇce typu D2XX

vyˇzadovalo vyuˇzit´ı VCP ovladaˇce a t´ım si zajistilo emulaci pˇres sériov´ y port.

Obrázek 7.3: Náhled obrazovky programu Mprog

49

V´ yrobce dále dodává jako souˇcást svého produktu software nazvan´ y MProg, kter´ y umoˇzn ˇuje v D2XX reˇzimu konfigurovat pamˇet’ EEPROM zaˇr´ızen´ı a nastavit tak jeho deskriptory. Nastavit m˚ uˇzeme typ zaˇr´ızen´ı, VID, PID, verzi USB protokolu kter´ y je vyuˇz´ıván, m˚ uˇzeme napˇr. zakázat sériové ˇc´ıslo zaˇr´ızen´ı nebo urˇcit, aby zaˇr´ızen´ı odpojovalo vstupn´ı a v´ ystupn´ı piny v reˇzimu USB suspend. Zároveˇ n je dobré nastavit do deskriptor˚ u typ napájen´ı zaˇr´ızen´ı - v mém pˇr´ıpadˇe BUS Powered a uvést celkovou spotˇrebu. Dále máme moˇznost konfigurovat sériové ˇc´ıslo zaˇr´ızen´ı, moˇznost USB vzdáleného vzbuzen´ı a funkci Plug & Play. Dalˇs´ımi d˚ uleˇzit´ ymi parametry jsou název v´ yrobce a popis zaˇr´ızen´ı, kter´ y pak zobrazuje operaˇcn´ı systém. Ukázka obrazovky programu je na Obrázku 7.3. V EEPROM pamˇeti zaˇr´ızen´ı a jej´ı pˇr´ısluˇsn´ ych deskriptorech nebyla provedena ˇza´dná specifická konfigurace VID a PID, ˇcili deskriptory z˚ ustaly konfigurovány na hodnoty VID=0403, PID=6001. Specificky byly nastaveny deskriptory Bus Powered=1, Max Bus Power=26 mA, SN Prefix=07, SN Suffix=07335241, Deskriptor v´ yrobce=FEKT, Deskriptor produktu=RS485, Programmed SN=07R13A2F.

50

8

´ ER ˇ ZAV

Jak bylo naznaˇceno jiˇz v u ´vodu, c´ılem této práce je zpracován´ı návrhu pˇrevodn´ıku dat ze sbˇernice typu USB na rozhran´ı RS485. V jednotliv´ ych kapitolách této bakaláˇrské práce byl ˇctenáˇr seznámen se specifikacemi jednotliv´ ych rozhran´ı, stejnˇe tak jako s popisem a specifikacemi jednotliv´ ych prvk˚ u, které byly pro konstrukci vyuˇzity. Celkové schéma zaˇr´ızen´ı jako takového se nacház´ı v pˇr´ıloze B; deska poloˇsn´ ych spoj˚ u je pak zpracována v nˇekolika pohledech - osazen´ı souˇcástek z vrchn´ı strany DPS jako pˇr´ıloha C; osazen´ı souˇca´stek spodn´ı strany DPS je v pˇr´ıloze D; horn´ı strana desky ploˇsn´ ych spoj˚ u jako pˇr´ıloha E; spodn´ı strana desky ploˇsn´ ych spoj˚ u jako pˇr´ıloha F. V pˇr´ıloze G této bakaláˇrské práce se nacház´ı rozpis souˇca´stek potˇrebn´ ych pro konstrukci zaˇr´ızen´ı. Fotografie realizovaného DPS a osazeného zaˇr´ızen´ı jsou v pˇr´ılohách H,I,J a K. Jelikoˇz bylo celé zaˇr´ızen´ı realizováno s pouˇzit´ım souˇcástek technologie SMD bylo nutné desku ploˇsn´ ych spoj˚ u navrhnout jako oboustranou s vyuˇzit´ım prokov˚ u. Desku ploˇsn´ ych spoj˚ u realizovala na základˇe návrhu specializovaná firma, která se touto v´ yrobou zab´ yvá. Vodivé vrstvy na DPS byly oboustrannˇe pozlaceny a to zejména kv˚ uli pozdˇejˇs´ım oxidaˇcn´ım jev˚ um a zároveˇ n i z estetického hlediska. Pˇri samotném osazován´ı desky bylo v´ yhradnˇe pouˇzito pájky Sn95,5Ag3,8Cu0,7. Osazován´ı bylo provedeno dle vˇseobecn´ ych zásad, tj. nejprve konektory, dále pasivn´ı souˇcástky, aktivn´ı souˇcástky, integrované obvody a ihned po jeho dokonˇcen´ı byl obvod oˇziven. Po pˇripojen´ı USB rozhran´ı bylo provedeno základn´ı omˇeˇren´ı napˇet´ı na pˇrevodn´ıku a zároveˇ n probˇehlo ovˇeˇren´ı jeho ˇrádné funkce s pomoc´ı poˇc´ıtaˇce. Z pohledu zadán´ı této bakaláˇrské práce se nám podaˇrilo zrealizovat kompletn´ı pˇrevodn´ık USB-RS485 vˇcetnˇe definovan´ ych provozn´ıch parametr˚ u a m˚ uˇzeme tak konstatovat, ˇze zadán´ı bakaláˇrské práce bylo splnˇeno v plném rozsahu.

51

REFERENCE ˇ P. Bibliografické citace dokument˚ ˇ ˇ [1] BOLDIS, u podle CSN ISO 690 a CSN ISO 690-2 [online]. 2001, posledn´ı aktualizace 11. 11. 2004 [cit. 17. 2. 2005]. Dostupné z URL: . [2] HERMAN, I. Komunikaˇcn´ı technologie. Elektronické pˇredlohy. FEKT VUT v Brnˇe. 2007. [3] FILKA, M. a kol. Diplomn´ı semináˇre - telekomunikace. ES VUT Brno, 1989. [4] beyondlogic.org Specifikace USB zaˇr´ızen´ı Dostupné z URL: [5] linear.com Popis integrovaného obvodu FT232BM Dostupné z URL: [6] microchip.com Popis pamˇeti typu EEPROM 93C56B Dostupné z URL: [7] ftdichip.com Popis linkového vys´ılaˇce/pˇrij´ımaˇce sbˇernice RS485 LTC485 Dostupné z URL: [8] kksystems.com Popis problematiky ˇr´ızeného pˇrep´ınán´ı smˇer˚ u Dostupné z URL: [9] netrino.com Popis obecné problematiky pˇrep´ınán´ı smˇer˚ u Dostupné z URL:

52

˚ VELICIN ˇ SEZNAM SYMBOLU, A ZKRATEK USB

univerzáln´ı sériové rozhran´ı – Universal Serial Bus

RS-485

rozhran´ı RS-485 je elektrická specifikace pro dvoudrátové, poloduplexn´ı, v´ıcebodové sériové spojen´ı

pˇrevodn´ık zaˇr´ızen´ı urˇcené k pˇrechodu z rozhran´ı jednoho typu na jiné COM

název rozhran´ı sériového portu na poˇc´ıtaˇc´ıch typu PC

FT232BM mikroˇcip od firmy FTDI Chip urˇcen´ y k pˇrevodu rozhran´ı z USB na sériov´ y asynchronn´ı pˇrenos dat EEPROM 93C56 pamˇet s kapacitou 2kbit - elektronicky vymazatelná (Electrically Erasable PROM) LTC 485

n´ızkopˇr´ıkonov´ y vys´ılaˇc/pˇrij´ımaˇc sbˇernice typu RS-485

RS-232

rozrhan´ı RS-232 je elektrická specifikace pro sériov´ y pˇrenos dat pouˇzit´ y v poˇc´ıtaˇcov´ ych portech, je velice podobná protokolu V.24 ze standardu ITU-T

Plug and Play schopnost poˇc´ıtaˇce, která umoˇzn ˇuje pˇridat nové zaˇr´ızen´ı napˇr. poˇc´ıtaˇcovou periferii bez nutnosti manuáln´ı konfigurace nebo instalace ovladaˇc˚ u tohoto zaˇr´ızen´ı stand by

reˇzim zaˇr´ızen´ı, ve kterém nen´ı vykonávána ˇzádna operace a zaˇr´ızen´ı je uvedeno do klidového reˇzimu, kdy odeb´ırá zpravidla minimáln´ı proud a nevykazuje ˇzádnou ˇcinnost - v´ yhodou stand by reˇzimu je moˇznost rychlého uveden´ı do standardn´ıho provozu

overhead

pˇridan´ y datov´ y tok kter´ y protokol potˇrebuje pro svou vlastn´ı reˇzii mal´ y overhead vyznaˇcuje vysokou efektivitu, tj. velmi n´ızkou reˇzii protokolu

NRZI

non-return-to-zero Inverted; typ modulace která mapuje log 1 pˇri zmˇenˇe stavu, log 0 pro stávaj´ıc´ı stav; stejn´ y typ modulace se vyuˇz´ıvá napˇr. pro zápis na magnetickou pásku

CRC

cyclic redudancy check; je funkce která ze vstupn´ıch dat zcela libolovné délky produkuje v´ ystupn´ı hodnotu o pˇresnˇe stanovené délce; velmi ˇcasto se CRC vyuˇz´ıvá pro funkce kontroln´ıho souˇctu

LSB

least significant bit; oznaˇcuje bit v ˇretˇezci s nejniˇzˇs´ı váhou

53

handshaking automatick´ y proces, kter´ y má za u ´kol nastavit na obou stranách pˇrenosového veden´ı stejné komunikaˇcn´ı parametry SRF

vlastn´ı rezonanˇcn´ı kmitoˇcet

RTOS

real-time operaˇcn´ı systém, podporuj´ıc´ı multitasking

SMD

surface-mount technology; metoda konstrukce elektronick´ ych zaˇr´ızen´ı, kdy se komponenty montuj´ı pˇr´ımo na povrch desky ploˇsn´ ych spoj˚ u

54

ˇ ÍLOH SEZNAM PR A Blokov´ y diagram ˇ cipu FT232BM

56

B Sch´ ema zapojen´ı pˇ revodn´ıku

58

C Pohled na osazen´ı souˇ c´ astek - vrchn´ı strana

60

D Pohled na osazen´ı souˇ c´ astek - spodn´ı strana

61

E Pohled na desku ploˇ sn´ ych spoj˚ u - vrchn´ı strana

62

F Pohled na desku ploˇ sn´ ych spoj˚ u - spodn´ı strana

63

G Rozpis souˇ c´ astek

64

H Fotografie DPS | TOP

65

Fotografie DPS | BOTTOM

66

J Fotografie osazen´ e DPS | TOP

67

K Fotografie osazen´ e DPS | BOTTOM

68

I

55

A

´ DIAGRAM CIPU ˇ BLOKOVY FT232BM

56

57

XTIN

XTOUT

USBDM

USBDP

3V3OUT

VCC

Oscilátor 6MHz

USB DPLL

USB vysílač

3,3V LDO regulátor

Násobič hodin x8

Ovladač sériového rozhraní

PWRCTL

SLEEP# PWREN#

Obrázek A.1: Blokov´ y diagram ˇcipu FT232BM

12 MHz

48 MHz

Duální přijímací buffer (384 B)

Řízení USB protokolu

Duální vysílací buffer (128 B)

RESET#

Generátor resetu

3V3OUT

UART FIFO kontroler

48 MHz

EEPROM interface

UART

Generátor přenosové rychlosti

DCD#

DTR#

CTS#

TXDEN

RSTOUT#

EEDATA

EESK

EECS

TXLED#

RXLED#

RI#

DSR#

TXD RXD RTS#

B

´ ˇ ÍKU SCHEMA ZAPOJENÍ PREVODN

58

59

Obrázek B.1: Schéma zapojen´ı pˇrevodn´ıku USB<->RS485

C

ˇ ASTEK ´ POHLED NA OSAZENÍ SOUC VRCHNÍ STRANA

Obrázek C.1: Osazen´ı souˇca´stek pˇrevodn´ıku - vrchn´ı strana DPS

60

D

ˇ ASTEK ´ POHLED NA OSAZENÍ SOUC SPODNÍ STRANA

Obrázek D.1: Osazen´ı souˇcástek pˇrevodn´ıku - spodn´ı strana DPS

61

E

ˇ YCH ´ ˚ POHLED NA DESKU PLOSN SPOJU VRCHNÍ STRANA

Obrázek E.1: Deska ploˇsn´ ych spoj˚ u pˇrevodn´ıku USB<->RS485 - vrchn´ı strana

62

F

ˇ YCH ´ ˚ POHLED NA DESKU PLOSN SPOJU SPODNÍ STRANA

Obrázek F.1: Deska ploˇsn´ ych spoj˚ u pˇrevodn´ıku USB<->RS485 - spodn´ı strana

63

G

ˇ ASTEK ´ ROZPIS SOUC

Tabulka G.1: Rozpis souˇcástek potˇrebn´ ych pro konstrukci zaˇr´ızen´ı Oznaˇ cen´ı

Hodnota

C1 10nF C2 33nF C3,C4,C6 100nF C5 10µF C7,C8 27pF R1,R2 22Ω R3 470Ω R4 1k5 R5 2k2 R6 10k R7,R11,R12 100Ω R8,R9,R10 220Ω IC1 FT232BM IC2 93LC46 nebo 93LC56 IC3 LTC485 IC4 74HC32 J1 zásuvka RJ45 L1 tlumivka LED1 led ˇzlutá LED2 led ˇcervená LED3 led zelená Q1 6MHz S1 pˇrep´ınaˇc 6x X1 konektor USB

Poˇ cet

Pozn´ amky

1ks 1ks 3ks 1ks 2ks 2ks 1ks 1ks 1ks 1ks 1ks 3ks 1ks 1ks 1ks 1ks 1ks 1ks 1ks 1ks 1ks 1ks 1ks 1ks

SMD 0805 SMD 0805 SMD0805 SMD elektrolyt B6 SMD0805 SMD0805 SMD0805 SMD0805 SMD0805 SMD0805 SMD0805 SMD0805 QFP32 SO SO SO 8pin do DPS R = 0, 65Ω, Imax = 200mA SMD1206 SMD1206 SMD1206 krystal leˇzat´ y DIP switch 6x1 mini-USB zásuvka SMD leˇzatá

64

H

FOTOGRAFIE DPS | TOP

Obrázek H.1: Deska ploˇsn´ ych spoj˚ u - foto - top

65

I

FOTOGRAFIE DPS | BOTTOM

Obrázek I.1: Deska ploˇsn´ ych spoj˚ u - foto - bottom

66

J

´ DPS | TOP FOTOGRAFIE OSAZENE

Obrázek J.1: Fotografie osazeného pˇrevodn´ıku - top

67

K

´ DPS | BOTTOM FOTOGRAFIE OSAZENE

Obrázek K.1: Fotografie osazeného pˇrevodn´ıku - bottom

68

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ

Recommend Documents