Способы подключения измерительных устройств к ЭВМ

Для параллельной передачи данных в измерительных системах наиболее часто используется стандартный интерфейс IЕЕЕ-488, который также называется интерфейсом общего назначения GPIB. Этот интерфейс первоначально был разработан фирмой Mewled Packard и назывался приборным интерфейсом Hewlett Packard (HPIB). Магистраль интерфейса состоит из 24 сигнальных линий, восемь из которых — линии заземления, а остальные разбиты на три группы. Первая группа состоит из восьми двунаправленных сигнальных линий и называется шиной данных. Шина данных используется для передачи данных и команд между различными приборами, подключенными к интерфейсу. Вторая группа из пяти сигнальных линий является шиной общего управления интерфейсом, по ней передаются сигналы управления и состояния. Оставшаяся группа из трех линий используется для управления передачей информации по шине данных и называется шиной квитирования. Приборы, подсоединяемые к интерфейсу, могут работать либо как приемники, либо как источники сообщений. Прибор в режиме приемника получает данные с магистрали интерфейса, а в режиме источника – отправляет туда свои данные. В каждый момент времени только одно устройство может быть источником сообщений, тогда как приемниками сообщений могут быть одновременно несколько устройств. Одно из устройств на магистрали работает как контроллер интерфейса. При подаче соответствующей команды по шине данных можно перевести устройство из режима приемника в режим источника сообщений. Каждый прибор, подсоединенный к магистрали интерфейса, имеет свой собственный адрес. Всего можно присвоить адрес 31 устройству. Адреса приборов посылаются по шине данных в виде параллельного слова, состоящего из семи разрядов: младшие 5 разрядов передают сам адрес, а остальные два - управляющую информацию. Если оба этих управляющих разряда равны 0. то команды рассылаются по всем адресам; если шестой разряд равен 1, а седьмой - 0, адресуемый прибор должен переключиться в режим приемника сообщений; если шестой разряд равен 0. а седьмой - 1, адресуемый прибор должен переключиться в режим источника сообщений.

На шине общего управления интерфейсом каждая сигнальная линия выполняет свою собственную задачу в управлении информационными потоками по магистрали интерфейса. Приведем описание пяти управляющих линий:

1. IFC - «Сброс интерфейса". Переключает все устройства, подключенные к магистрали интерфейс; в исходное состояние. Устанавливается контроллером.

2. ATN - •Внимание». Указывает на то, что на шину данных выставлено сообщение. Если уровень сигнала ВЫСОКИЙ, выставлены данные, если НИЗКИЙ - команда. Устанавливается контроллером.

3. SRQ — «Запрос на обслуживание», По этой линии устройства передают контроллеру заявку на обслуживание.

4. REN - «Дистанционное управление». Разрешает всем устройствам на шине принимать команды и данные. Устанавливается контроллером.

5. EOI - «Конец или подтверждение». Используется либо для посылки признака окончания передачи устройством - источником сообщений, либо совместно с сигналом «ATN» устанавливает порядок работы устройств, приславших заявку на обслуживание.

Если устройство хочет переслать данные по магистрали интерфейса, оно выставляет сигнал НИЗКОГО уровня на линии SRQ. В ответ на это контроллер выставляет на линии ATN сигнал ВЫСОКОГО уровня, после чего устройство, пославшее запрос на обслуживание, может посылать сообщение на шину данных.

Сигнальные линии шины квитирования используются для управлении побайтной передачей данных. В состав этой шины входят следующие три линии:

1. DAV - «Данные готовы». НИЗКИЙ уровень сигнала на этой линии показывает, что информация на шине данных готова для приема.

2. NRFD - «К приему данных не готов». ВЫСОКИЙ уровень сигнала на этой линии указывает' на то, что приемное устройство готово к приему данных.

3. NDAC - «Данные не приняты». ВЫСОКИЙ уровень сигнала на этой линии показывает, что прием данных завершился успешно

На рис. 1 показан протокол обмена информацией через интерфейс GPIB.

Рис.1. Протокол обмена через интерфей с GPIB.

Перед началом приема данных приборы, принимающие информацию, должны выставить на линии NRFD сигнал ВЫСОКОГО уровня, а устройство, передающее данные, должно выставить сигнал НИЗКОГО уровня на линии DAV. Только при соблюдении этих двух условий возможна процедура обмена информацией. Изменение информации на шине данных может производиться только после того, как все приборы-слушатели выставили на линии NDAC сигнал ВЫСОКОГО уровня.

В шине GPIB используется асинхронная система связи, поэтому данные можно передавать с той скоростью, которая возможна при работе с тем или иным устройством-передатчиком или приемником.

Контроллер шины может вырабатывать и передавать подключенным к шине устройствам команды четырех типов: адресуемые, приема, передачи и универсальные.

Команды приема и передачи. Эти команды задают, какое из устройств будет передавать или принимать данные. Последние пять разрядов команд приема и передачи содержат адрес устройства, которое должно соответственно принимать или передавать данные. Команда передачи с пятью младшими разрядами в единичном состоянии является командой прекращения передачи (UNT). переводящая все устройства-передатчики в нерабочее состояние. Аналогичная команда приема является командой прекращения приема (UNL).

Универсальные команды. Команды этой категории адресуются ко всем устройствам шины. Всего их пять: LLO - блокировка автономного управления,' DCL — сброс устройств, PPU — отмена настройки на параллельный опрос. SPE - разрешение последовательного опроса, SPD - блокировка последовательного опроса.

Адресуемые команды. На этот тип команд реагируют только устройства, которым непосредственно перед этим была передана команда приема. Имеется пять адресуемых команд: GTL - перейти в автономный режим, SDC -сброс выбранного устройства, РРС - настройка на параллельный опрос, GET - групповой запуск, ТСТ - получение управления.

На первый взгляд вся эта информация может выглядеть пугающе. Опытный разработчик, конечно же. может и сам написать программу обмена информацией через интерфейс. Однако чаще всего для связи интерфейса с прикладной программой используют стандартные драйверы, устанавливаемые на компьютере. Прикладная программа в этом случае получает доступ к функциям ввода/вывода данных, представляемым интерфейсом, используя такие команды языков высокого уровня, как INPUT, OUTPUT и т.д.

Для подключения приборов к магистрали обычно используется стандартный 24-штырьковый разъем:

Выводы 1-4. 13-16 -данные.

Вывод 5. EOI - общее управление интерфейсом.

Вывод 6. DAV - управление передачей данных.

Вывод 7. NRFD - управление передачей данных.

Вывод 8. NRFD - управление передачей данных.

Вывод 9 IFC - общее управление интерфейсом.

Вывод 10. SRQ - общее управление интерфейсом.

Вывод II. ATN - общее управление интерфейсом.

Выводы 12. SHIELD - экран.

Вывод П. REN - общее управление интерфейсом.

Выводы 18—23. GND — заземление.

Вывод 24. GND - сигнальная земля.

Конфигурация приборов через GPIB интерфейс может быть либо линейной (рис. 2(a)), либо иметь форму звезды (рис. 2(6)). либо представлять собой комбинацию первых двух типов.

Рис.2. Конфигурация приборов через GPIB интерфейс.

Максимальное расстояние между двумя приборами не должно быть больше 4 м, а максимальная длина кабеля не должна превышать 20 м. На одну магистраль можно подключать не более 15 приборов. Во время работы все приборы должны быть во включенном состоянии.

Скорость передачи данных для современных GPIB интерфейсов превышает 1 Мбайт/с.

 

3. Стандартный  интерфейс последовательной передачи  данных (RS-232, RS-422, RS-423, RS-449).

При передаче данных на сравнительно удаленное устройство предпочтительнее использовать последовательный интерфейс. К тому же последовательная передача данных дает возможность использования коммерческих систем связи, например телефонные сети или стандартные каналы передачи цифровой информации.

Существуют три формы связи для последовательной передачи цифровых данных:

1. Симплексная связь. Участвует один передатчик А и один приемник В. Устройство В не может передавать данные обратно А. Связь осуществляется через одну пару проводов.

2. Полудуплексная связь. Здесь возможна двунаправлен паи передача данных от А к В и от В к Л. Связь осуществляется по кабелю, состоящему из двух или четырех проводов.

3. Дуплексная связь. Здесь возможна одновременная двунаправленная передача данных от А к В и от В к А. Связь осуществляется по кабелю, состоящему из двух или четырех проводов.

Для каждой из описанных форм связи необходимо, чтобы принимающее устройство (микропроцессор) было готово принять и идентифицировать каждый набор данных, переданный передающим устройством (например. АЦП). Существует два способа решения этой проблемы: синхронная и асинхронная передача. При асинхронной передаче каждому набору данных предшествует старт-бит. а по окончании передачи - стоп-бит. Из-за необходимости постоянной проверки старт- и стоп- битов, скорость асинхронной передачи значительно снижается. При синхронной передаче передающее и принимающее устройства синхронизированы друг с другом при помощи тактового сигнала в начале передачи данных, а затем каждое слово набора данных распознается как блок из семи или восьми бит.

Для надежной передачи данных на расстояние более метра необходимо использовать специализированные микросхемы линейных формирователей и приемников, подключаемых к линии передач. Существует три класса стандартов последовательных интерфейсов, установленных Ассоциацией электронной промышленности США: RS-232 (однопроводный). RS-422 (симметричный дифференциальный) и RS-423 (несимметричный дифференциальный) (рис. 3).

Рис.3. Стандарты последовательных интерфейсов: (а)- RS-232, (б)- RS-422, (в)- RS-423.

Стандарт RS-232. Чтобы обеспечить согласование с линией на выходе формирователя часто устанавливают внешний конденсатор, управляющий скоростью нарастания сигнала, а вход приемника для подавления отражений шунтируется на землю внешним резистором, величина которого равна характеристическому импедансу линии (рис. 4).

Рис. 4. Согласование интерфейса RS-232.

Рекомендуемая максимальная длина передающей линии в случае использования интерфейса RS-232 составляет порядка 20 м, а максимальная скорость передачи данных - около 20 кбод. Этот стандарт позволяет работать только с одним прибором.

Стандарт RS-422. Этот стандарт характеризуется наибольшим запасом помехоустойчивости, возможностью работы с длинными линиями передач и скоростями обмена данными, превышающими возможности интерфейса RS-232. Симметричный дифференциальный формирователь имеет два выхода. Один из выходов представляет собой буферизованный эквивалент входа формирователя, тогда как другой является его дополнением. Пара скрученных проводов соединяет два этих выхода с двумя входами приемника (дифференциальный вход). Поскольку оба передаваемых сигнала в одинаковой степени подвергаются воздействию синфазных помех, последние устраняются благодаря дифференциальному входу приемника. Допускаются длина линии до 1500 м и скорость передачи данных до 10 Мбол. Этот стандарт позволяет уже работать с 10 приборами одновременно. Продолжение этого стандарта - RS-485. здесь число приборов увеличено до 32

Стандарт.RS-423. Единственное отличие несимметричного дифференциального интерфейса от симметричного заключается в том, что у первого обратный провод заземления является общим для нескольких сигнальных цепей. Такой интерфейс допускает длину линий передачи до 1300 м и скорость передачи данных до 100 кбод.

Стандарт RS-449. Это более поздний стандарт, обладающий улучшенными характеристиками по скорости и расстоянию передачи.

Поскольку у интерфейса RS-232 уровень логической единицы составляет (-12 В). а уровень логического нуля –(+12 В), то для согласования с устройствами, имеющими ТТЛ-логику, необходимо использовать специальные микросхемы для согласования логических уровней сигналов. Например, для преобразования ТТЛ сигналов в сигналы для RS-232 можно применить микросхему МС1488, для преобразования уровней RS-232 в ТТЛ уровни - МС1489.

Стандартный интерфейс RS-232 использует 25-контактный разъем со следующим назначением линий:

Вывод 1. FG - защитное заземление соединяет между собой корпуса приборов с целью предотвращения накопления статического заряда.

Вывод 2. -TxD - передаваемые данные.

Вывод 3. -RxD - принимаемые данные.

Вывод 4. RTS - запрос передающего устройства на посылку сообщения.

Вывод 5. CTS - сброс передающего устройства. Используется приемником для информирования передатчика о готовности к приему данных.

Вывод 6. DSR - готовность оборудования к передаче данных, используется для задания режима модема.

Вывод 7. SG - сигнальное заземление, нулевой провод.

Вывод 8. DCD - обнаружение несущей сигнала. Информирует передатчик о том, что каналом можно пользоваться.

Выводы 9, 11, 18, 25 зарезервированы для интерфейса типа «токовая петля», который не входит в состав стандарта RS-232.

Вывод 12. SDCD - обнаружение несущей дополнительного сигнала.

Вывод 13. SCTS - сброс дополнительного передающего устройства.

Вывод 14. STD - передаваемые данные по дополнительной линии.

Вывод 15. ТС - синхронизация передаваемого сигнала.

Вывод 16. SRD — принимаемые данные но дополнительной линии.

Вывод 17. RC - синхронизация принимаемого сигнала.

,txd

Вывод 19. SRTS - запрос на посылку сообщения по дополнительной линии.

Вывод 20. DTR - готовность выходных данных. Указывает на возможность связи.

Вывод 21. SQ - дистанционное управление/ детектор качества сигнала.

Вывод 22. RI - указатель вызовов.

Вывод 23. Селектор скорости передачи данных.

Вывод 24. Не задействован.

Существует несколько вариантов протоколов обмена через последовательный интерфейс. Чаще всего используется асинхронный протокол. В этом случае один из приборов (обычно микропроцессор) является ведущим, а остальные подключенные устройства - ведомыми. Когда ведущее устройство посылает сообщение, все остальные приборы принимают его, определяют предназначено оно для них или нет. Если да, они действуют в соответствии с ним. Приведем пример команды установки на ЦАП напряжения 6 В: