TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Transkript

1 TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Měřicí systémy se sériovým rozhraním Učební text Ivan Jaksch Liberec 2010 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/ ) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

2 I. RS 232-C standardizováno v roce 1964 původně určeno ke spojení DTE s DCE kde DTE - Data Terminal Equipment koncové zařízení přenosu dat - terminál, počítač DCE - Data Communication Equipment komunikační datové zařízení (ukončující zařízení datového okruhu) - modem Později: mimo telekomunikační technika, mikroelektronika,- počítač zde ovšem DCE není Jedná se přenos typu point- to- point, bidirekční. Elektrické parametry: log V log V R t = 3 7 k C t > 2500 pf Celkem definováno 20 vodičů, prakticky 9 signálů Signály z hlediska DTE (počítač) 2

3 Použité konektory: 25 kolíků viz. dříve COM1 u PC 9 kolíků COM2 Komunikace DTE - DCE DCE - DTE Blokové zapojení přístrojů při standardní modemové komunikaci Přenos dat: Komunikace je asynchronní, port je schopen současně vysílat data na jedné lincet x a přijímat data na druhé lince R x. (vyjímečně může být i synchronní) DATOVÉ BITY PARITNÍ BIT START BIT log 0 STOP BITY log 1 START BIT přijímač identifikuje začátek přenosu n datových bitů, n = ASCII 8 binární data PARITNÍ BIT parita sudá, lichá, bez parity, Space (vždy 0), Mark (vždy 1) Doplnění datových bitů v paritním bitu na příslušnou paritu. STOP BIT 1, 1.5, 2 ukončuje komunikaci jednoho paketu (znaku). Každé zařízení má svoje časování (hodiny) a obě zařízení mohou být mírně ze synchronizace. Tedy je tu prostor pro vyrovnání případné odchylky v rychlosti hodinových pulzů. Čím více stop bitů, tím je větší prostor pro vyrovnání rozdílů, ale přenos je pomalejší. Rychlost přenosu: normalizovaná 110, 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, bitů za sekundu (bps, také nazýváno baudy) Kódování dat: ASCII (7 bit + parita) binary (8 bit bez parity) Hex (2 znaky hex vysílány jako ASCII 7 bit) Komunikace přenášena oběma směry (bidirekční), full duplex. 3

4 Komunikace (handshaking): Softwarová (vysílání speciálních znaků XON a XOFF) Hardwarová, využívá dalších linek (RTS/CTS, DTR/DSR). X Modem (komunikace mezi dvěma modemy) Komunikace mezi dvěma DTE (bezmodemové zapojení) Třívodičové zapojení: - není možná hardwarová korespondence (handshaking) - při hardwarové korespondenci kontrola pouze paritou, kontrolní součet - Softwarová korespondence: nejznámější protokol X on - X off X on = 17 (0x11) přijímač ready X off = 19 (0x13) přijímač busy 4

5 Charakteristika softwarové korespondence: - dlouhá reakční doba - není možno přenášet binární data (řídící znaky jsou součástí binárních dat) - přijímač řídí tok (rychlost) dat - X off (19) vysílači je znemožněno vysílání - X on (17) povolení pro vysílač, aby pokračoval ve vysílání Hardwarová korespondence: DTE DTE (null modem) Pozn.: Může být použita i softwarová korespondence! 1. RTS CTS 5-ti vodičové zapojení časový sled (out) 1. RTS DTE je připraveno přijímat data, vyšle přijímač ve vstupní frontě volno pro příjem dalšího znaku 2. CTS zařízení může vysílat (in) data mohou být bezpečně poslána do přijímače 3. vyslání dat 4. RTS opačně při ukončení přenosu 5. CTS 2. DTR DSR 7-mi vodičové zapojení DTR DTE funkční DSR sdělení o funkčnosti DCD data detekována Doplnění o funkční signály DTE 5

6 Význam signálů rozhraní : Blokové schéma 7-mi vodičové hardwarové korespondence pro vysílací zařízení DSR = 1? CTS = 1? příjemce hlásí, že je funkční spojení DTR DSR příjemce hlásí (spojení RTS CTS), že je schopen přijímat data, tedy vysílač může vysílat 6

7 Řešení sériového rozhraní u PC Sériové Přeruš. vstup Číslo přerušení Bázová adresa rozhraní COM 1 IRQ 4 OCH 3F8H COM 2 IRQ 3 OBH 2F8H COM 3 COM 4 Obvod sériového rozhraní: UART 8250, programování [3], [4], [9], [2] ADR. ADR. DEK DATA IRQ GHIP SEL GHIP SEL žádost o přerušení TTL RS232 TTL RS232 K O N E K T O R OSC Základní struktura 8250 UART: Nastavení a konfigurace sériových portů: DOS: MODE COM <č.> : rychlost (bps), parita, počet datových bitů, počet stop bitů MODE com /? Př. MODE COM2: 9600, N, 8, 1 WINDOWS: nastavení : Ovládací panely, Systém, Správce zařízení komunikační zásuvky 7

8 Programování RS 232 využití COM 1 COM 4 speciální karty pro sériovou komunikaci do PC Obvod UART 8250, novější - metoda výzev (pooling), pak testování stavových registrů - metoda přerušení (Int. Enable) Při psaní programů je vhodné (nutné!) zařadit TIMOUT smyčku Metody: 1) Přímý přístup k registrům UART UART osmibitových registrů přístupných uživateli - výběr registrů adresa A 0, A 1, A 2 a bit DLAB 2) Využití služeb BIOS při přerušení INT 14h Před vyvoláním přerušení nutno nastavit registry DX, AH, AL DX AH číslo portu 0 inicializace sériového kanálu 1 vysílání znaku 2 příjem znaku 3 stav portů AL inicializační parametry (AH = 0), nebo znak (AH = 1, 2), stav (AH = 3) Možno programovat v ASM nebo C (podprogramy komunikace v ASM) 3) Windows Obsahují funkce pro sériovou komunikaci (otevření portu, konfigurace, čtení z portu, chybová hlášení, uzavření portu) 4) Lab Windows /CVI Výkonná knihovna pro RS vrací záporné hodnoty při chybě - zavádí globální proměnnou rs 232 err - má výkonné funkce pro přenos souborů při použití protokolu Xmodem (kontr. součet a nové poslání při chybě) - - 8

9 Příklad.: err = OpenComConfig (2, com2, 9600, 0, 8, 1, 512, 512); err = SetCTSMode (2, LWRS_HANDSHAKE_CTS_RTS); err = FlushInQ (2); čtení: int n; char buf [100];... n = ComRd (2, buf, 100); if (n!= 100) /* -error timout */ n = ComRdTerm (2, buf, 20, 10); zápis: Fmt (buf, %s, Nazdar! ); if (ComWrt(2, buf, 7))!= 7 /* operace neúspěšná */ n = ComWrt (2, *CLS\n, 5); if (n!= 5)... 9

10 Tabulka funkcí knihovny RS 232: ( LabWindows/CVI) [7] 10

11 Průmyslová řešení komunikace RS 232. Pro průmyslové použití nabízí velké množství firem průmyslové komunikační desky s vyvedenými porty pro RS 232 ( RS 422, RS 485). Karty mají 2, 4 nebo 8 nebo 16 individuálně konfigurovatelných RS 232 komunikačních portů. Některé mají před posláním dat na sběrnici bufferování dat do 64 bytových paketů a tím snižují zatížení CPU. Nabízí automatickou adresaci pro všechny porty. Mohou mít sdílená přerušení nebo nezávislé IRQ pro každý port. Většinou se využívá sdílené přerušení (vektorová adresa) a stavový registr přerušení určí zdroj přerušení. Tím je zjednodušeno programování. Dále uvádíme 3 příklady řešení: řešení firmy Tedia CZ, ( dvou nebo 4 portová komunikační karta PCI 1232, PCI 1234 řešení firmy Advantech ( 4 (PCL-849), nebo 8 mi portová karta (PCL-858). Dále je uvedena i specifikace nové karty PCI 1610 A. Zájemci najdou na těchto stránkách velké množství informací, např. ( včetně datových listů a další technické literatury. fy National Instruments ( např. karta NI-PCI -232/16 se 16 porty TEDIA PCI 1234, PCI 1232 První dva porty karty PCI-1234 (resp. oba porty PCI-1232) jsou vyvedeny na konektory Cannon 9 umístěné na PC štítku karty, druhé dva porty jsou dostupné prostřednictvím redukce osazené obvody rozhraní umístěné v sousední pozici. Redukce je součástí dodávky. Porty obsahují kompletní modemové signály ve standardním zapojení konektoru. Karty řady PCI-1230 se od běžných typů odlišují zejména optickou izolací portů. Jádrem komunikačních PC karet TEDIA řady PCI-1230 je řadič OX16PCI954 výrobce Oxford Semiconductor, který v jediném obvodu integruje funkce rozhraní PCI sběrnice, 4 výkonné UARTy standardu 16C950 a paralelní rozhraní. Mimořádnou vlastností jsou indikační LED umístěné na PC štítku karty (dvojice pro každý port); oproti běžnému umístění uvnitř na PC kartě tak uživatel může pohodlně ověřit aktivitu linky i bez demontáže krytu počítače. Softwarová podpora: Od prosince 2001 je zajištěna plná podpora v operačních systémech Windows XP, Windows 2000, Windows 95/98/Me a Windows NT4. Omezená podpora je dostupná i pro MS-DOS. Součásti dodávky: PCI-1234 je čtyřportová sada obsahující vlastní PCI kartu PCI-1232, redukci PCI-1023, manuál a disketu s drivery. PCI-1232 obsahuje pouze vlastní PCI kartu PCI-1232, manuál a disketu s drivery. Možnost upgrade: PCI-1232 se od PCI-1234 odlišuje pouze PCI identifikačními daty, pro které Windows driver nainstaluje dva COMy; uvedené řešení tak umožňuje pozdější update na čtyřportovou verzi (přeprogramování PCI ID + dokoupení PCA-1023). Konfiguraci PCI-1232/34 lze upravit na dva porty RS-232 a dva porty RS-422/485 výměnou redukční desky 11

12 (dokoupení PCA-1025). Technické parametry Počet komunikačních portů Typ komunikačních portů Řadič UART Přenosová rychlost Přenášené signály Řízení datového přenosu Typ budičů linky Izolační napětí Sběrnice Kanály přerušení I/O adresa Rozměry PC desky 2 (PCI-1232) 4 (PCI-1234) RS-232 OX16PCI954 (Oxford Semiconductor) 50Bd 230,4kBd TXD, RXD, RTS, CTS, DTR, DSR, DCD, RI XON/XOFF, DTR/DSR, RTS/CTS, automaticky (ADFC) HIN241 (Texas Instruments) 1kVpp PCI, 5V, 33MHz PnP BIOS PnP BIOS 90x125 mm Advantech PCI 1610 A 4-port RS-232 PCI Comm Card PCI 1610 A Main Features Speeds up to Kbps 16PCI954 UART with 128-byte standard PCI bus specification 2.1 compliant OS supported: Windows NT, Windows 95/98 I/O address automatically assigned by PCI plug-and-play 12

13 Univerzální sériový bus -USB II. Univerzální sériový bus (USB) Specifikován jako standard pro průmyslové rozšíření architektury PC se zaměřením na připojení PC do datové telefonní sítě a k jiným perifériím komerčního charakteru. Kritéria: - rozšíření periférií k PC - podpora přenosu dat v reálném čase rychlost až 480 Mb/sec (USB 2.0) - možnost integrace do nejrůznějších typů Rychlosti: - High Speed (max. 480 Mbps) - pouze USB Full Speed (max. 12 Mbps) odpovídá USB Low Speed (max. 1,5 Mbps) pro pomalá zařízení Použití: - široký rozsah aplikací - možnost připojení až 127 zařízení - jednoduchý protokol - levná varianta do 1,5 Mb/sec Architektura USB: USB device (zařízení) spojení USB host (počítač) USB zařízení: hub (centrální jednotka hvězdicové struktury) funkční jednotka (myš, klávesnice, aj.) - každé USB zařízení má svoji adresu - komunikace mezi počítačem a funkční jednotkou pomocí paketů: token packet data packet handshake packet Vícevrstvá hvězdicová struktura USB 13

14 Univerzální sériový bus -USB Příklad propojení zařízení využívající USB Elektrické parametry USB 1.0: - max. rychlost: 12 Mb/sec (12Mbps) - levné provedení: 1,5 Mb/sec - max. délka: 5 m - U OLmax = 0,3 V, U OHmin = 2,8 V Nyní USB 2.0 maximální rychlost 480 Mbps Kabel pro přenosovou rychlost 12 Mb/s Diferenciální zapojení: Budící obvod USB 14

15 Univerzální sériový bus -USB Zakončující odpory, které umožní identifikaci připojení a typ FJ Konektory USB USB konektor typ A USB konektor typ B Kabel USB Kolík barva funkce 1 červená +5V 2 bílá D- 3 zelená D+ 4 černá zem - Komunikace mezi počítačem a FJ Pomocí paketů Token paket vysílá počítač, obsahuje popis typu, směr výměny dat, adresu USB, číslo koncové jednotky Data paket vysílá datové zařízení (zařízení, které má vysílat data) Hanshake paket vyšle přijímací strana, pro informaci, že přenos proběhl úspěšně Podrobně: 15

16 Univerzální sériový bus -USB USB zařízení pro měření a přenos dat V poslední době se začíná objevovat mnoho zařízení měření a přenos dat s výstupem USB. Téměř všichni světoví výrobci dodávají v současné době tyto moduly. Jsou to např. NI, Kethlei, Data Translation aj. Základní myšlenkou je nahrazení multifunkčních desek do PC. Moduly zatím nemají tak výkonné parametry je desky do PC, ale značně zjednodušují sestavení systému a provoz. National Instruments vyrábí (od r. 2005) několik přenosných modulů USB DAQ, pro digitalizaci signálů a přenos do PC. V nabídce jsou levné modyly 4 kanály SE, vzorkování až odběrů na kanál až po výkonné 16 kanálů, 16 bitů, programovatelné vstupní rozsahy, rychlost vzorků /sec. Ovladače modulůusb musí dodat výrobci zařízení s USB Rychlost obvykle menší než max tj. 12 Mb/s. Značnou nevýhodou je doba latence při změně parametrů, nebo při jakémkoli nastavování. Doba latence (zpoždění nečinnost) velká!! 100 μs 16

17 IEEE 1394 Fire-Wire III. Sériové rozhraní IEEE Fire-Wire Základní vlastnosti a parametry rozhraní IEEE 1394 Sériové rozhraní IEEE 1394 pro vysoké rychlosti přenosu bylo navrženo pro tři základní typy aplikací: jako alternativa k paralelní sběrnici modulárních systémů, pro relativně levné připojení periférií k počítači pro aplikace s vysokou rychlostí přenosu dat a pro vzájemné propojení 32-bitových systémů. Toto rozhraní, označované též Fire-wire, se v současné době běžně používá v oblasti přenosu a zpracování obrazové informace. V měřicích systémech se používá především pro přenos dat mezi řídicím počítačem a VXI rámem, objevují se však i další aplikace, např. firma National Instruments nabízí multifunkční měřicí modul s tímto rozhraním. Vzhledem k tomu, že v budoucnu půjde zřejmě o standardní rozhraní PC, lze předpokládat, že se toto rozhraní bude používat i v dalších měřicích aplikacích, a to zejména tam, kde je nutné přenášet větší množství dat. I když se v případě rozhraní IEEE 1394 nejedná o sběrnici v pravém slova smyslu, ale spíše o propojení bod-bod, umožňuje toto rozhraní jak postupné řetězení jednotlivých účastníků, tak vytváření stromovité struktury sítě. Základní člen sítě, který má výsadní postavení z hlediska jejího řízení (z hlediska topologie to může být branche i leaf- viz dále), se obvykle označuje root (kořen stromovité struktury). Účastníci, u kterých dochází k větvení sítě, se označují branche (větev), účastníci připojení na konec větve leaf (list). Maximálně lze připojit k jedné takto vytvořené síti 63 účastníků, je však možné další řetězení s využitím můstků. Protokol řízení sítě vytvořené na bázi rozhraní IEEE 1394 automaticky rekonfiguruje síť v případě připojení či odpojení jednotlivých uzlů. Je zde podporován i přenos dat mezi jednotlivými uzly sítě bez účasti řídicí jednotky. Stromová struktura sítě se sběrnicí IEEE 1394 Definovaná přenosová rychlost 100, 200 a 400 Mb/s je pro řadu měřicích aplikací dostatečná i pro přenos dat v reálném čase. Přenos je poloduplexní (přenos oběma směry, ale v jednom okamžiku pouze jedním směrem, ne současně) Přitom je možné ve stejné síti použít pro jednotlivá propojení různé přenosové rychlosti. Přenosový protokol podporuje isochronní a asynchronní přenos dat. Bezchybný přenos dat je zabezpečen pomocí CRC (cyclic redundance check). 17

18 IEEE 1394 Fire-Wire Organizace přenosu dat IEEE 1394 podporuje dva typy arbitráže přenosu - asynchronní a isochronní. Asynchronní: Asynchronní arbitráž se používá, pokud je nutné odeslat datový paket co možná nejdříve. Zde existují dokonce dvě možnosti asynchronní arbitráže: a) spravedlivá" (fair), která zaručuje rovný přístup ke sběrnici všem účastníkům, b) naléhavá" (urgent), která je použitelná u účastníků, kteří vyžadují častý přístup na sběrnici s minimálním zpožděním - použije-li však tento režim více účastníků, může docházet ke kolizím. Asynchronní arbitráž používají účastníci, kteří nevyžadují zaručenou šířku pásma nebo přesné časování. Pro takové aplikace, jako je přenos zvuku či videosignálu v číslicové formě, nebo pro měřicí aplikace, je podstatně výhodnější isochronní arbitráž. Isochronní: Isochronní přenos zaručuje, že je přenos ukončen v daném čase, ale nezaručuje, že přenos je bez chyb. Protokol 1394 zaručuje zařízením, které požadovaly tento přenos předem definovaný počet datových paketů v každém rámu (frame). Přenos využívají zařízení strojového vidění, řízení pohybu a rychlá zařízení sběru dat. Architektura a elektrické parametry IEEE 1394 Propojovací kabel sběrnice IEEE 1394 je šestivodičový. Dva páry zkroucených vodičů jsou určeny pro přenos dat (každý pár je stíněn samostatně), dále je zde zemní vodič (VG) a napájecí vodič dimenzovaný pro proudové zatížení až 1,5 A při napětí 8 až 40 V. Zapojení kabelu IEEE1394 Konektor IEEE

19 IEEE 1394 Fire-Wire Pro poloduplexní přenos dat se zde využívají oba páry signálových vodičů v diferenčním zapojení - jeden pro vlastní data a druhý pro strobovací signál. Ten mění svou úroveň tehdy, když dva následující datové bity jsou stejné. Z kombinace obou těchto signálů jsou pak na přijímací straně odvozeny taktovací impulzy Časové průběhy na obou párech signálových vodičů a odvozený taktovací signál Jednotliví účastníci jsou propojeni tak, že dochází k překřížení párů signálových vodičů, tedy že svorky označené TPA (Tmsted Pair A) u jednoho účastníka jsou propojeny se svorkami označenými TPB (Twisted Pair B) u druhého účastníka a naopak. Tyto dva páry slouží pro přenos řídících signálů a k identifikaci rychlosti, se kterou je účastník schopen přijímat a vysílat data. Zapojení obvodů vstupně/výstupní brány rozhraní IEEE 1394 je poměrně složité a obsahuje obvody pro identifikaci účastníka, identifikaci připojení kabelu, identifikaci rychlosti přenosu, vytvoření strobovacích pulsů aj. Typické zapojení obvodů vstupně/výstupní brány rozhraní IEEE

20 IEEE 1394 Fire-Wire IEEE 1394 b V poslední době byla sběrnice IEEE 1394 rozšířena o variantu 1394b.[10]. Rychlost přenosu je až Mb/s. Kabel je devítižilový s 2 žíly navíc (jedna nezapojena). Vzdálenost mezi přístroji je větší než u verze 1394a, a může být až 100 m. To jí umožňuje vyšší uplatnění v průmyslu blíže [12]. IV. Srovnání IEEE1394 a USB USB, neboli Universal Serial Bus, je rozhraní prosazované především (ale nejenom) firmami Intel a Microsoft. Jedná se o sériové rozhraní, určené, zhruba řečeno, k připojování všech zařízení, která se dají stejně snadno připojit přes rozhraní SCSI. Struktura USB se poněkud liší od struktury IEEE1394: sběrnice USB je řízena hlavním řadičem (PC), a umožňuje připojování dalších zařízení ve stromové struktuře, podobně, jako IEEE1394. Hlavní rozdíl však spočívá v tom, že zařízení USB mohou v tomto stromě být pouze listy; uzly stromu musí být specializované řadiče (huby). Každý řadič dokáže obsloužit sedm zařízení (nebo dalších řadičů). Z tohoto hlediska se nezdá, že by sběrnice USB přinesla nějaké zjednodušení pro připojování periferních zařízení k PC; trochu by tomu snad mohla napomoci integrace hubu do koncového zařízení, takže např. klávesnice by sice sama byla USB zařízením, ale díky integraci řadiče by k ní bylo možné připojit myš (a uživatel by si nebyl nucen kupovat samostatný hub). Nijak se však nevyhneme potřebě řídícího počítače. Zařízení vybavená sběrnicí IEEE1394 naproti tomu mohou být propojována do stromové struktury bez hubů; tak můžeme navzájem propojit až 63 zařízení (pro větší množství již potřebujeme bridge). Nadto sběrnice IEEE1394 nepotřebuje hlavní řadič - můžeme jí stejně snadno propojit dvě koncová zařízení, např. videokameru a videopřehrávač (pro střih), nebo kameru a pevný disk (pro nahrávání přímo na disk). Na rozdíl od USB zde nepotřebujeme ani počítač, ani jiný podobně komplikovaný přístroj jen pro řízení sběrnice. K tomu navíc přistupuje daleko větší průchodnost sběrnice IEEE1394. USB má samozřejmě také své výhody - přesněji řečeno, právě jednu výhodu: díky menším nárokům může být v jednoduché konfiguraci levnější. Můžeme proto očekávat, že počítače v budoucnosti budou vybaveny oběma rozhraními - USB pro připojení myši a klávesnice (a světelného pera, a podobných zařízení; snad i mikrofonů a reproduktorů, protože přenosová rychlost USB pro pár zvukových kanálů jakžtakž stačí), a IEEE1394 pro připojení disků, tiskáren, scannerů a audiovizuální techniky. 20

21 IEEE 1394 Fire-Wire Literatura: 1. Haasz a kol.: Číslicové měřicí systémy, ČVUT P. Gofton: Sériová komunikace 3. M. Jantsch: Asynchronní sériový interface IBM PC/XT/AT, Bajt J. Hubálek: Asynchronní sériové rozhraní u počítačů IBM PC/XT a AT, ST 3/ Keyboard 11/12/79, Hewlett Packard, str J. Olšovský: Universální rozhraní RS Lab Windows CVI, Standard Libraries, RS-232-C, Library str Šnorek: Standardní rozhraní PC, str , ČVUT Návody k měřicím přístrojům HP 34401A, User s Guide 10. Sběrnice IEEE 1394b/ Fire Wire v automatizaci, Automa č.1/2007 str Katalogy firem, Internet ?opendocument Seriál Communication General Concept Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/ Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření 21