Mechatronika Modul 12: Rozhraní Učebnice (koncept) Matthias Römer Dr-Ing. Gabriele Neugebauer np neugebauer und partner OhG Nĕmecko Evropský koncept pro doplňkovou kvalifikaci mechatronik odborných procovníků v globalizované průmyslové výorbě. EU Projekt č. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 MINOS ++, platnost od 2008 do 2010 Tento projekt byl realizován za finanční podpory Evropské unie. Za obsah publikací (sdělení ) odpovídá výlučně autor. Publikace (sdělení) nereprezentují názory Evropské komise a Evropská komise neodpovídá za použití informací, jež jsou jejich obsahem. www.minos-mechatronic.eu
Partneři pro provádění, hodnocení a šíření výsledků projektů MINOS a MINOS**. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Obsah studijních podkladů Minos: moduly 1 8 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: základy / interkulturní kompetence, projektový management / fluidní techniku / elektrické pohony a řízení/ mechatronické komponenty / mechatronické systémy a funkce / uvedení do provozu, bezpečnost, vzdálený servis / dálková údržbu a diagnostiku. Minos **: moduly 9 12 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: rychlé vytváření prototypů / robotiku / migraci / rozhraní. Všechny moduly jsou dostupné v následujících jazycích: němčina, angličtina, španělština, italština, polština, čeština a maďarština. Pro více informací prosím kontaktujte: Technical University Chemnitz Dr. Ing. Andreas Hirsch Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz Tel.: + 49(0)0371 531-23500 Fax.: + 49(0)0371 531-23509 Email: wzm@mb.tu-chemnitz.de Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch www.minos-mechatronic.eu
Obsah 1 Rozhraní... 5 1.1 Úvod... 5 1.2 Napájení... 6 1.2.1 Euro zástrčky... 6 1.2.2 Schuko zástrčky... 7 1.2.3 Zástrčky ve Velké Británii... 9 1.2.4 Zástrčky ve Švýcarsku... 10 1.2.5 Zástrčky v Severní Americe... 11 1.2.6 Další soustavy... 12 1.2.7 Zdvojovače... 13 1.2.8 Světelné zdroje... 17 1.2.9 Baterie... 19 2 Počítačová rozhraní... 21 2.1 Úvod... 21 2.1.1 Koncepce... 22 2.2 Vnější rozhraní počítače... 23 2.2.1 Připojení tiskárny... 23 2.2.2 Sériové rozhraní... 25 2.2.3 Připojení klávesnice a myši (PS/2)... 27 2.2.4 USB... 29 2.2.5 FireWire... 32 2.3 Připojení monitoru... 34 2.3.1 VGA... 34 2.3.2 DVI... 36 2.3.3 HDMI... 38 2.3.4 DisplayPort... 39 2.4 Vnitřní rozhraní... 40 2.4.1 Zdroje energie... 40 2.4.2 ISA slot... 42 2.4.3 PCI slot... 43 2.4.4 PCI-Express... 45 2.4.5 Další sloty a dodatečné funkce... 46 2.4.6 PCMCIA... 47 2.4.7 Připojení disketových mechanik... 48 2.4.8 IDE připojení pevného disku... 50 2.4.9 Sériové ATA... 52 2.4.10 esata... 54 2.4.11 SCSI... 55 2.4.12 Serial Attached SCSI... 57 1
2.4.13 RAM sloty... 58 2.4.14 SO-DIMM... 61 2.4.15 Procesorové patice... 62 2.5 Zvukové porty... 64 2.5.1 Analogový přenos zvuku... 64 2.5.2 Digitální přenos zvuku... 67 2.6 Video porty... 68 2.6.1 Kompozitní video... 68 2.6.2 S-video... 69 2.6.3 SCART... 70 2.6.4 Komponentní video... 71 2.7 Síťová rozhraní v počítačích... 72 2.7.1 Ethernet... 72 2.7.2 WLAN... 74 2.7.3 Bluetooth... 76 2.7.4 IrDA... 78 2.8 Telefony... 79 2.8.1 Analogové telefony... 79 2.8.2 ISDN... 81 2.8.3 DECT... 82 2.8.4 Mobilní telefony... 83 2.8.5 UMTS... 84 2.8.6 WiMAX... 84 2.8.7 DSL... 85 3 Softwarová rozhraní... 86 3.1 Programová rozhraní... 86 3.2 Internetové protokoly... 87 3.3 Univerzální Plug and Play... 88 4 Rozhraní člověk-stroj... 89 4.1 Klávesnice... 89 4.2 Počítačová myš... 91 4.3 Monitory... 94 4.3.1 Uživatelská rozhraní založená na znacích... 94 4.3.2 Grafická uživatelská rozhraní... 95 4.4 Hlasová uživatelská rozhraní... 96 4.5 Design rozhraní... 97 2
Seznam obrázků Obr. 1.1: Euro zástrčka... 58 Obr. 1.2: Euro zástrčka a schuko zástrčka... 7 Obr. 1.3: Schuko zástrčka s dodatečným bezpečnostním kontaktem a bez něj... 8 Obr. 1.4: Zástrčka používaná ve Velké Británii... 9 Obr. 1.5: Švýcarská zástrčka v adaptéru... 10 Obr. 1.6: Zástrčka používaná v Severní Americe... 11 Obr. 1.7: Příklad cestovního adaptéru... 12 Obr. 1.8: Zdvojovač pro nezahřívající se a zahřívající se přístroje... 13 Obr. 1.9: Zdvojovač remosk... 14 Obr. 1.10: Čtyřlístková zástrčka a zdvojovač... 15 Obr. 1.11: Zdvojovač pro malé přístroje a zdvojovač pro holící strojek... 16 Obr 1.12: Žárovky s paticemi E27, E14 a E10... 17 Obr. 1.13: Halogenové žárovky do patice GU10 a do nástrčné patice... 18 Obr. 1.14: Mono-, mignon-, mikročlánek, lithiové baterie a knoflíkový akumulátor... 19 Obr. 2.1: Kabel tiskárny... 23 Obr. 2.2: Dongl pro paralelní rozhraní... 24 Obr. 2.3: Kabel pro sériové rozhraní RS-232... 25 Obr. 2.4: Myš s devítipinovým D-Sub konektorem... 26 Obr. 2.5: PS/2 porty v počítači... 27 Obr. 2.6: Zatížení kontaktů mini-din konektoru... 28 Obr. 2.7: USB kabel s konektorem typu A, typu B a mikrokonektorem... 29 Obr. 2.8: Diferenční přenos dat... 30 Obr. 2.9: FireWire kabel s 4-pinovým a 6-pinovým konektorem... 32 Obr. 2.10: VGA kabel s BNC konektorem... 34 Obr. 2.11: Adaptér mini-vga na VGA... 35 Obr. 2.12: DVI konektor... 36 Obr. 2.13: Adaptér DVI na VGA... 37 Obr. 2.14: HDMI kabel... 38 Obr. 2.15: Zásuvkový konektor na dodávku energie pro základní desku... 40 Obr. 2.16: Kabel na dodávku napětí pro mechaniky... 41 Obr. 2.17: Zásuvná karta ISA... 42 Obr. 2.18: Zásuvná karta PCI... 43 Obr. 2.19: Kabel pro disketovou mechaniku... 48 Obr. 2.20: Obrácené vodiče v kabelu pro disketové mechaniky... 49 Obr. 2.21: Kabel pro IDE připojení... 51 Obr. 2.22: Pevný disk s připojením SATA... 52 Obr. 2.23: Zařízení se zdířkou pro esata... 54 Obr. 2.24: SCSI kabel... 55 Obr. 2.25: SIMM, PS/2-SIMM, SD-RAM... 58 Obr. 2.26: SO-DIMM... 61 Obr. 2.27: Slot 7 a Intel Pentium... 63 3
Obr. 2.28: Cinch-Kabel... 64 Obr. 2.29: Různé DIN- a Mini-DIN konektory... 65 Obr. 2.30: Audio jack 6,35 mm a 3,5 mm se čtyřmi kontakty... 66 Obr. 2.31: Cinch kabel po kompozitní video... 68 Obr. 2.32: S-Video kabel... 69 Obr. 2.33: Konektor SCART... 70 Obr. 2.34: Patice u komponentního připojení... 71 Obr. 2.35: Ethernetový adaptér pro 10Base2 a Twisted Pair... 72 Obr. 2.36: Ethernetový switch... 73 Obr. 2.37: WLAN anténa... 75 Obr. 2.38: Rozhraní IrDA na mobilním telefonu... 78 Obr. 2.39: Telefonní přípojka s kódováním NFN a konektorem F... 79 Obr. 4.1: Počítačová klávesnice s německým rozložením kláves... 89 Obr. 4.2: Klávesnice notebooku... 90 Obr. 4.3: Myš s jedním tlačítkem a myš s více tlačítky... 91 4
1 Rozhraní 1.1 Úvod Rozhraní jsou nezbytná v takových případech, kdy různé systémy mezi sebou potřebují navzájem komunikovat. Anglické označení pro rozhraní interface může být odvozeno od latinských termínů inter ( mezi ) a facies ( struktura či forma ). Aby se komunikace mezi dvěma systémy mohla uskutečnit, jejich rozhraní by měla být kompatibilní. Nezáleží na tom, jakým způsobem se informace v systému zpracují. Rozhraní mají široké možnosti standardizace, což zajišťuje bezproblémovou komunikaci mezi systémy. V zásadě bychom měli rozlišovat komunikaci mezi přístroji a komunikaci mezi přístrojem a člověkem. První případ označujeme jako rozhraní stroj-stroj, druhý pak jako rozhraní člověk-stroj. Rozhraní jsou v počítačové technice velmi významným elementem. Hardwarová rozhraní propojují různé části počítače. To umožňuje kombinovat komponenty od různých výrobců. Hardwarová rozhraní především přenášejí elektrické signály. Mechanické rozměry rozhraní ovšem musí také souhlasit. Softwarová rozhraní propojují různé počítačové programy. Tak si může například uživatelský program vyměňovat data s operačním systémem. Zvláštním případem jsou síťová rozhraní, která zprostředkovávají vzájemnou komunikaci různých počítačů, přičemž využívají kombinace hardwaru a softwaru. Rozhraní jsou nezbytná také pro komunikaci mezi člověkem a počítačem. Tato uživatelská rozhraní by měla umožnit intuitivní ovládání s co možná nejnižšími požadavky na průpravu. 5
1.2 Napájení Příkladem každodenně používaného rozhraní je napájení elektrických přístrojů, jejichž zástrčka se zapojuje do zásuvky ve zdi. V Evropě i v mnoha jiných zemích se používá nominální napětí 230 V. Zástrčky a zásuvky mají různé mechanické rozměry. Rozlišujeme především dvouvodičové a třívodičové zástrčky. Pro přenos elektrické energie jsou třeba dva vodiče. Třetí, ochranný vodič, se používá z důvodu bezpečnosti. 1.2.1 Euro zástrčky Euro zástrčka má dva kontakty, které jsou mírně ohnuté směrem k sobě. To umožňuje pevné sevření zástrčky v zásuvce ve zdi. Kontakty mají 4 mm v průměru. Zhruba polovina délky dotekových kolíků je izolovaná. Průměr plastových izolačních trubiček je menší než u kontaktů samotných. Euro zástrčky povolují proud do 2,5 A. Protože se u nich nepoužívá žádný bezpečnostní vodič, zařízení s euro zástrčkami by měla mít ochrannou izolaci. Typickými příklady takových zařízení jsou velké světelné zdroje a elektrické přístroje s nízkou spotřebou energie. Euro zástrčky jsou úzké, takže mohou být používány v mnoha evropských zemích včetně Švýcarska. Obr. 1.1: Euro zástrčka 6
1.2.2 Schuko zástrčky Takzvané schuko zástrčky neboli bezpečnostní zástrčky se v Evropě hojně používají. Oba jejich dotekové kolíky mají 4,8 mm v průměru, jsou tedy o něco silnější než kontakty euro zásuvky. Na obou stranách zástrčky se nacházejí kontaktní plochy pro ochranný vodič. Elektrická zásuvka má dvě dotekové pružiny na odpovídajících místech. Při zastrčení se nejprve zapojí bezpečnostní kontakt, teprve poté se dotekové kolíky spojí s kontakty v zásuvce. Tvarovaná zástrčka vypadá podobně, avšak bezpečnostní kontakt chybí. Používá se u přístrojů, jejichž spotřeba proudu je vyšší než hodnota povolená pro euro zástrčky, jako jsou například vysavače. Narozdíl od euro zástrčky se tvarovaná zástrčka kvůli svým vnějším rozměrům a silnějším dotekovým kolíkům nemůže používat v některých zemích, např. ve Švýcarsku,. Dotekové kolíky tvarované zástrčky jsou silnější než u euro zástrčky, čímž se dosáhne vyšší zatížitelnosti. Kolíky nejsou izolované, protože izolace snižuje průměr. Tvarované zástrčky a bezpečnostní zástrčky mohou přenášet proud až do výše 16 A za napětí 230 V. Obr. 1.2: Euro zástrčka a schuko zástrčka 7
U francouzského bezpečnostního systému vyčnívá bezpečnostní dotekový kolík ze zásuvky ve zdi. V kombinaci s těmito zásuvkami mohou být použity pouze zástrčky, které jsou vybaveny otvorem pro tento bezpečnostní kontakt. Zástrčky s bezpečnostními kontakty po stranách mohou být zapojeny do zásuvek, které tento dotekový kolík nemají. Není to však povoleno, protože bezpečnostní funkce se v tomto případě neaktivuje. Euro zástrčky mohou být použity ve francouzském systému, protože jsou úzké. Tvarované zástrčky musí mít otvor pro bezpečnostní dotekový kolík zásuvky. Bezpečnostní dotekové kolíky chrání zástrčky francouzského systému před změnou polarity. To znamená, že jsou-li otočeny o 180º, nemohou být zapojeny, narozdíl například od euro zástrček. Tento systém je výhodný v tom, že živý kabel je při odpovídající kabeláži zásuvek ve zdi připojen ke stejnému kolíku zástrčky. Díky tomu se například živý kabel vždy připojí k hluboko uloženému střednímu kontaktu objímky žárovky, ne k jejímu vnějšímu vláknu. V dnešní době se již francouzský systém zástrček i zástrčky bez otvorů pro bezpečnostní kolíky používají velmi zřídka. Téměř všechny současné bezpečnostní zástrčky mají dodatečný otvor, který je připojen k bezpečnostnímu vodiči. To umožňuje používání těchto zástrček i ve Francii. Obr. 1.3: Schuko zástrčka s dodatečným bezpečnostním kontaktem a bez něj 8
1.2.3 Zástrčky ve Velké Británii Ve Velké Británii se používají zástrčky větších rozměrů. Dotekové kolíky mají obdélníkový průřez. Bezpečnostní kontakt vyčnívá a vytváří s ostatními dvěma kontakty trojúhelník. Tvar kontaktů chrání tuto zástrčku před změnou polarity. Je-li zástrčka zapojená, bude tedy bezpečnostní kabel vždy na spodní straně. Všechny zástrčky jsou chráněné, protože veškeré zásuvky ve Velké Británii mají kruhovou kabeláž. Elektrický kabel vychází z pojistkové skříně a sériově propojuje všechny zásuvky. Poté se do pojistkové skříně vrací. Zásuvka proto může být zásobena energií ze dvou stran. Jinak se v Evropě běžně používá hvězdicovitá kabeláž. Všechny kabely mají zabezpečení, obvykle 10 A nebo 16 A. Kruhová kabeláž ve Velké Británii má ovšem zabezpečení 32 A, aby byli všichni spotřebitelé dostatečně zásobeni energií. Protože tento proud (32 A) je pro jednotlivé přístroje příliš vysoký, měl by mít každý přístroj ve své vlastní zástrčce dodatečné zabezpečení. Obvyklá jsou zabezpečení v hodnotách 3 A, 5 A nebo 13 A. Obr. 1.4: Zástrčka používaná ve Velké Británii 9
1.2.4 Zástrčky ve Švýcarsku Zástrčky ve Švýcarsku vypadají jako euro zástrčky, ale jsou vybaveny dodatečným bezpečnostním kontaktem. Tento kontakt je umístěn mezi ostatními dvěma, lehce mimo střed. Ačkoliv jsou všechny bezpečnostní kolíky stejně dlouhé, bezpečnostní kontakt se po zastrčení připojí jako první, protože odpovídající kontakt v zásuvce není tak hluboko, jako je tomu u ostatních. Posunutý bezpečnostní kontakt chrání tuto zástrčku před změnou polarity. Takové zástrčky mohou vést proud až do 16 A, ačkoliv běžné hodnoty nepřesahují 10 A. Euro zástrčky mohou být zapojeny do švýcarských zásuvek, zatímco rázu vzdorné zástrčky jsou nevhodné, protože mají silné dotekové kolíky. Bezpečnostní kontakt by byl navíc v tomto případě odpojený. Švýcarské zástrčky jsou ve srovnání s jinými systémy zástrček úsporné a zároveň velice bezpečné. Podobají se systému zástrček, který odpovídá normě IEC 60906-1, vydané Mezinárodní elektrotechnickou komisí (IEC) v roce 1986. Systém IEC 60906-1 spojuje výhody několika jiných systémů. Ve větší míře se však využívá pouze v Brazílii. Srovnáme-li jej se švýcarským systémem, dotekové kolíky mají 4,5 mm v průměru namísto 4 mm, a bezpečnostní kontakt je posunut 3 mm od středu, nikoliv 5 mm. Euro zástrčky lze používat se zásuvkami systému IEC 60906-1. Obr. 1.5: Švýcarská zástrčka v adaptéru 10