Programové prostředky pro měření a řízení, přednáška č. 9
Sběrnice používané pro sběr dat
Ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT Praha 2009 verze 1.0
1
Obsah přednášky Sériové komunikační sběrnice 1. Rozdělení 2. RS232C 3. RS422 4. RS485 5. USB 6. FireWire 7. I2C 8. SPI Paralelní komunikační sběrnice 1. IEEE 1284 2. IEEE 488 verze 1.0
2
Sběrnice – základní rozdělení y
soubor signálových vodičů (metalické vedení, optická vlákna) mezi dvěma zařízeními s funkcí řízení, adresování a přenosu dat
y
způsob komunikace se řídí tzv. protokolem
y
sériové x paralelní komunikační sběrnice
y
sériové: (RS-232C, RS-485, USB, I2C, FireWire, USB, Ethernet, Fibre Channel. Serial Attached SCSI, SATA, PCI-E) byte dat je přenášen v bitech za sebou po jediném vodiči, řízení může být realizováno po stejném vedení či samostatnými vodiči
y
paralelní: (ISA, PATA, SCSI, PCI, GPIB, IEEE-1284) byte dat je přenášen v bitech po více vodičích zároveň, řízení realizováno po stejném vedení či samostatnými vodiči
verze 1.0
3
Sériové sběrnice
verze 1.0
4
Sériové sběrnice – rozdělení I. y
podle počtu spojených zařízení: dvoubodové (např. RS-232, USB, IEEE1284) multibodové (např. RS-485, CAN)
y
podle způsobu synchronizace komunikace mezi dvěma zařízeními: synchronní – synchronizace pomocí signálu na synchronizačním vedení, nutné dva vodiče – datový, synchronizační asynchronní – synchronizace pomocí speciálního signálového pulsu, či byte, který je přidáván do komunikace na datovém vodiči
verze 1.0
5
Sériové sběrnice – rozdělení II. y
podle směru přenosu dat simplexní: (1) funkce VYSÍLAČ
(2) funkce PŘIJÍMAČ
poloduplexní: (1) funkce VYSÍLAČ
(2) funkce PŘIJÍMAČ
(1) funkce PŘIJÍMAČ
(2) funkce VYSÍLAČ
duplexní: (1) funkce VYSÍLAČ/PŘIJÍMAČ
(2) funkce VYSÍLAČ/PŘIJÍMAČ
verze 1.0
6
Sériové sběrnice – použití
verze 1.0
7
RS-232C – provedení y
Konektory: DB-9
DB-25
spojovací kabely dvou zařízení komunikujících po sběrnici RS-232C y
Napěťové úrovně: Log 0
vysílač přijímač
+5..+15 V +3..+15V
Log 1
vysílač přijímač
-5..-15 V -3..-15V
verze 1.0
8
RS-232C – signály signál
číslo kontaktu konektoru symbol
25 pin
9 pin
Protective ground
-
1
-
Transmitted
TxD
2
3
Received Data
RxD
3
2
Request To Send
RTS
4
7
Clear To Send
CTS
5
8
Data Set Read
DSR
6
6
Signal Ground
-
7
5
Data Carrier Detected
DCD
8
1
Data Terminal Ready
DTR
20
4
Ring Indicator
RI
22
9
verze 1.0
9
RS-232C – komunikační parametry jedno sériové rozhraní může komunikovat pouze s jedním zařízením y asynchronní přenos dat (start a stop bit(y)) Modulační rychlost [Baude, Bd] – udává počet změn stavu přenosového média za jednu sekundu. Přenosová rychlost [b/s] – rychlost přenosu v bitech za sekundu. Komunikační režim – simplexní, poloduplexní, duplexní. Paritní bit – kontrolní bit zajišťující odeslání a přijetí správného počtu bitů. Hardwarově řízený přenos dat – vodiče sběrnice zabraňující vysílat data dříve, než je přijímací zařízení připraveno. Softwarově řízený přenos dat - speciální znaky synchronizující komunikaci zařízení. y
verze 1.0
10
RS-232C – datový rámec
Příklad datového rámce – odesílání znaku A 0
Start bit
1
0
0
0
0
0
0
Datové bity – znak A v ASCII
1
1
1
1
Paritní bit Stop bity
RS-232 nespecifikuje kódování • ASCII (8bit, 256 znaků) • Baudot • EBCDIC
verze 1.0
11
RS-232C – spojení 2 DTE y
DTE – (Data Terminal Equipment) – koncové datové zařízení
Bezmodemové třívodičové zapojení
Bezmodemové sedmivodičové zapojení
verze 1.0
12
RS-232C – MAX 232 y
převodník úrovní TTL/RS-232C
verze 1.0
13
RS-422 Standard
EIA RS-422
Typ kabelu
kroucená dvoulinka
Uspořádání připojení
1 vysílač – až 10 přijímačů
Maximální přenosová vzdálenost
1200 m
Implementace sběrnice
diferenciální (napětí mezi vodiči)
Maximální modulační rychlost
10 Mbps – 10kbps
Napěťové úrovně
- 6 V až 6 V
Log 0
Vysílač +2..+6 V Přijímač +0,2..+6V
Log 1
Vysílač -2..-6 V Přijímač -0,2..-6V
Signály
Tx+, Tx-, Rx+, Rx- (Full Duplex)
Typ konektoru
bez konektoru, svorkovnice
Maximální přenosová rychlost
závisí na vzdálenosti (~kb/s) verze 1.0
14
RS-485 y
průmyslová sběrnice pro vedení dat na velké vzdálenosti (500m) pomocí kroucené dvojlinky
y
kabel zakončen charakteristickou impedancí
y
možnost komunikace duplexně až 32 jednotek (RS-422 pouze 1 vysílač a až 10 přijímačů)
y
obdobný datový rámec jako RS-232C
y
stejné napěťové úrovně logických stavů jako RS-422
y
přenosová rychlost až 200 kb/s
y
vysoká odolnost proti rušení
verze 1.0
15
USB (Universal Serial Bus) y
idea – unifikovaný systém pro připojení zařízení k PC
Základní parametry: y
Komunikační rychlost / maximální délka použitého kabelu: 1,5 Mbit/s (USB 1.1) / 3 m 480Mbit/s (USB 2.0) / 5 m 3.2 Gbit/s (USB 3.0)/ nestanoveno, 3 m (SuperSpeed)
y
Možnost připojení více zařízení (127 na hub)
y
Rozhraní obsahuje 5V napájení
y
Kabel kroucená dvojlinka
verze 1.0
16
USB (Universal Serial Bus) y
zapojení pinů USB 1.1 a USB 2.0
Pin
Jméno
Barva
Popis
1
VBus
Red
+5 VDC
2
D-
White
Data -
3
D+
Green
Data +
4
GND
Black
Ground
verze 1.0
17
USB (Universal Serial Bus) y
zapojení pinů USB 3.0
Pin
Jméno
Popis
1
Vbus
+5VDC
2
D+
Data+
3
D-
Data-
4
SSTX+
SuperSpeed
5
SSTX-
SuperSpeed
6
SSRX+
SuperSpeed
7
SSRX-
SuperSpeed
8
GND
Ground verze 1.0
18
USB - konektory
1
2
3
4
5
1) 8-pin AGOX 2) Mini-B 3) Typ B 4) Typ A samice 5) Typ A samec
verze 1.0
19
FireWire (IEEE1394) • sériová sběrnice pro připojení periférií k PC • méně rozšířená než USB • určená zejména pro přenos proudu dat – stream (videokamery) Specifikace
Rychlost
IEEE1394a
400 Mbit/s
IEEE1394b
800 Mbit/s
IEEE1394c
3200 Mbit/s
Konektor IEEE1394a typ 6 pin, typ 4 pin
• připojení až 63 zařízení (stromová topologie) • menší zátěž CPU oproti USB – DMA (Direct Memory Acess) • max. délka kabelu u IEEE1394a – 4,5 m • může sloužit k napájení dalších zařízení (až 45 W zdroj, 30 V)
verze 1.0
20
FireWire (IEEE1394)
verze 1.0
21
I2C (Philips) y
určena pro připojení nízkorychlostních periférií (např. mikrokontrolér a převodníky A/D, D/A)
y
master x slave řízení
y
nutná adresace zařízení (7bit – 112, 10 bit -1008)
y
dva obousměrné vodiče – SDA (Synchronous Data) , SCL (Synchronous Clock)
y
poloduplexní provoz 10 kbit/s
low speed
100 kbit/s
standard mode
400 kbit/s
fast mode
1 Mbit/s
fast mode plus
3.4 Mbit/s
high speed mode
verze 1.0
22
SPI (Motorola) • čtyřvodičová sběrnice • master x slave řízení • synchronní duplexní provoz • není nutná adresace, každý slave má vlastní vodič • rychlost až jednotky Mbit/s
SCLK
Serial Clock (výstup z master)
MOSI/SIMO
Master Output, Slave Input (výstup z master)
MISO/SOMI
Master Input, Slave Output (výstup ze slave)
SS
Slave Select (active low; výstup z master)
verze 1.0
23
SPI - použití Použití SPI pro komunikaci např. s: y senzory a převodníky A/D a D/A y dotykovými a LCD displeji y MMC a SD kartami y audio kodeky y digitálními zařízeními y převodníky: Ethernet, USB, CAN apod. y pamětmi typu flash a EEPROM y hodinami
verze 1.0
24
Paralelní sběrnice
verze 1.0
25
IEEE 1284 (printer port) y
pro obousměrnou paralelní komunikaci PC – externí zařízení
y
starší parallel port resp. printer port pouze jednosměrná komunikace (tiskárna)
y
teoretická propustnost 4 Mbit/s, reálná 2 Mbit/s
y
17 digitálních linek - 8 datových, 9 signálních řízení komunikace
y
vzdálenost max. 5 m, optimálně 2 m
Provozní módy: 1.
1. SPP mode - Compatibility Mode (Centronics mode) 2. Nibble Mode 3. Byte Mode 4. EPP Mode (Enhanced Parallel Port) 5. ECP Mode (Extended Capabilities Mode)
verze 1.0
26
IEEE 1284 (printer port) Konektory: y
25-pin D-sub female
y
36 pin Centronics female
verze 1.0
27
IEEE-488 y
GPIB (General purpose interface bus) HP-IB (Hewlett-Packard Interface Bus)
y
původní účel – automatické testování přístrojů
y
v současností spíše laboratorní využití pro vzájemnou komunikaci přístrojů
y
možnost připojit až 15 zařízení na jednu 8-bit sběrnici, topologie daisy-chain
y
24 vodičů – 16 signálových (8 datových, 3 handshake, 5 řízení sběrnice) a 8 zemnících, délka kabelů max 20 m celkově, 4 m mezi přístroji
y
konektory Canon nebo Centronics
verze 1.0
28
IEEE-488
verze 1.0
29
IEEE-488 Zařízení v systému mohou fungovat jako : y
Systémový řadič (Controller)
y
Přijímač (Listener)
y
Vysílač (Talker)
V jednoduchém systému není nutný systémový řadič (např. systém měřící přístroj zapisovač)
verze 1.0
30
