Hardwarová rozhraní

Rozhraní (interakce) je spojení mezi komponentami a účastníky v mikroprocesorovém systému.

PROTI mikroprocesorový systém zahrnuje: hardware, software a lidi... Proto se rozlišují následující typy rozhraní:

• hardwarové rozhraní;

• softwarové rozhraní;

• uživatelské rozhraní.

Programovací rozhraní poskytované operačním systémem (pokud existuje). Nejběžnějšími uživatelskými rozhraními jsou grafické rozhraní (například plocha počítače s ikonami nebo příkazovými tlačítky v editoru Microsoft Office Word) a rozhraní joysticku, kde vybíráme příkaz, který potřebujeme pohybem v nabídkách (například mobilní telefony , programovatelné automaty), což je také typ GUI.

Hardwarové rozhraní je systém sběrnic, konektorů, odpovídajících zařízení, algoritmů a protokolů, které zajišťují komunikaci mezi všemi částmi mikroprocesorového systému. Výkon a spolehlivost systému závisí na vlastnostech rozhraní.

Ve vestavěných mikroprocesorových systémech je hardwarové rozhraní zajišťováno řadiči zátěže CPU.Regulátor Jedná se o specializovaný mikroobvod určený k provádění monitorovacích a řídicích funkcí. Ovladač řídí chod zařízení např. pevného disku, paměti s přímým přístupem, klávesnice a zajišťuje spojení tohoto zařízení s ostatními účastníky MS.

Pneumatiky jsou ovládány mosty... Ve složitých MS, jako je například osobní počítač, je centrální místo obsazeno «ChipSet» (ChipSet) - souborem mostů a ovladačů. Čipová sada obsahuje dva hlavní čipy, které se tradičně nazývají jižní můstek a severní můstek (obrázek 1). Northbridge obsluhuje systémovou sběrnici, paměťovou sběrnici, AGP (zrychlený grafický port) a je hlavním řadičem počítače. Jižní můstek zvládá práci s externími zařízeními (PCI sběrnice — I/O sběrnice pro připojení periferních zařízení).

Obrázek 1 – Organizace výměny dat v osobních počítačích (PC)

Organizace interakce mezi procesorem a externími zařízeními je nejobtížnější kvůli jejich velké rozmanitosti.

Paralelní rozhraní se vyznačují tím, že pro přenos bitů používají samostatné signálové linky a bity jsou přenášeny současně. Klasickým paralelním rozhraním je LPT port.

Rozhraní sériového přenosu dat používá jednu signálovou linku, přes kterou jsou bity informací postupně přenášeny jeden po druhém.

Nejjednodušším sériovým rozhraním, které se rozšířilo jak v počítačích, tak v průmyslových systémech, je standard RS-232, který je implementován pomocí COM — portů... V průmyslové automatizaci je široce používán RS-485.

Sběrnice USB (Universal Serial Bus) připojuje k počítači širokou škálu periferních zařízení, včetně mobilních telefonů a spotřební elektroniky.

První specifikace rozhraní se nazývá USB 1.0, v současnosti se používá specifikace USB 2.0, moderní zařízení se připojují ke specifikaci USB 3.0.

Standard USB 2.0 obsahuje čtyři linky: příjem a přenos dat, napájení +5 V a pouzdro. Kromě nich USB 3.0 přidává další čtyři komunikační linky (2 pro příjem a dvě pro vysílání) a pouzdro.

Sběrnice USB má velkou šířku pásma (USB 2.0 poskytuje maximální rychlost přenosu dat až 480 Mb/s, USB 3.0 — až 5,0 Gb/s) a zajišťuje nejen přenos dat, ale také napájení externích zařízení s nízkou spotřebou (maximální proud odběr zařízení přes napájecí vedení sběrnice USB, by neměl překročit 500 mA pro USB 2.0 a 900 mA pro USB 3.0), což eliminuje potřebu externích napájecích zdrojů.

Bezdrátová (bezdrátová) rozhraní vám umožňují ustoupit od komunikačních kabelů, což je důležité zejména u zařízení malých rozměrů, velikosti a hmotnosti srovnatelné s kabely. Použití bezdrátových rozhraní elektromagnetické vlny infračervené (IrDA) a radiofrekvenční rozsahy (Bluetooth, USB bezdrátové).

Infračervené rozhraní IrDA umožňuje bezdrátovou komunikaci mezi dvěma zařízeními na vzdálenost až 1 metr. Infračervená komunikace - IR (infračervené) připojení - bezpečné pro zdraví, nezpůsobuje rušení v rádiovém frekvenčním rozsahu a zajišťuje soukromí přenosu. Infračervené paprsky neprocházejí stěnami, takže oblast příjmu je omezena na malou, snadno ovladatelnou oblast.

Bluetooth (modrý zub) je nízkopříkonové rádiové rozhraní (výkon vysílače pouze asi 1 mW) pro organizaci osobních sítí poskytujících přenos dat v reálném čase na krátké vzdálenosti. Každé zařízení Bluetooth má 2,4 GHz rádiový vysílač a přijímač. Dosah rádiového rozhraní je cca 100 m — pro pokrytí standardního domu.

Wireless USB (USB wireless) — rádiové rozhraní krátkého dosahu s velkou šířkou pásma: 480 Mb/s na vzdálenost až 3 metrů a 110 Mb/s na vzdálenost až 10 metrů. Pracuje ve frekvenčním rozsahu 3,1 — 10,6 GHz.

Rozhraní RS-232 (RS – doporučený standard) spojuje dvě zařízení – počítač a zařízení pro přenos dat. Přenosová rychlost je 115 Kbps (maximum), přenosová vzdálenost je 15 m (maximum), schéma připojení je bod-bod.

Signály z tohoto rozhraní jsou přenášeny úbytkem napětí (3 … 15) V, proto je délka komunikační linky RS-232 zpravidla omezena na vzdálenost několika metrů z důvodu nízké odolnosti proti rušení. Nejčastěji se používá v průmyslových zařízeních, v osobním počítači slouží k připojení manipulátoru typu "myš", modemu. Rozhraní RS-232 obecně neumožňuje síťové propojení, protože propojuje pouze 2 zařízení.

Obrázek 2 — Konektor RS-232 typu DB9

Rozhraní RS-485 je široce používané vysokorychlostní průmyslové sériové rozhraní proti rušení pro obousměrný přenos dat. Téměř všechny moderní počítače v průmyslovém designu, většina senzorů a pohonů obsahuje tu či onu implementaci rozhraní RS-485.

Pro přenos a příjem dat stačí jeden kroucený pár vodičů (twisted pair).Přenos dat se provádí pomocí diferenciálních signálů (původní signál jde na jeden vodič a jeho zpětná kopie je na druhém). Rozdíl napětí jedné polarity mezi vodiči znamená logickou jedničku, rozdíl druhé polarity znamená nulu.

Za přítomnosti vnějšího rušení jsou odbočky v sousedních vodičích stejné, a protože signál je rozdíl potenciálů ve vodičích, úroveň signálu zůstává nezměněna. To zajišťuje vysokou odolnost proti rušení a celkovou délku komunikační linky až 1 km (a více při použití speciálních zařízení — opakovačů).

Rozhraní RS-485 zajišťuje výměnu dat mezi několika zařízeními po dvoudrátové komunikační lince v poloduplexním režimu (příjem a přenos prochází jedním párem časově oddělených vodičů). Je široce používán v průmyslu k vytváření systémů řízení procesů.

Ethernet (ether — ether) — technologie přenosu dat používaná ve většině lokálních počítačových sítí. Toto rozhraní je založeno na standardu IEE 802.3. Zatímco rozhraní RS-485 lze uvažovat na bázi jedna k mnoha, Ethernet funguje na bázi mnoho k mnoha.

Existuje několik možností v závislosti na přenosové rychlosti a přenosovém médiu:

• Ethernet — 10 Mbps

• Rychlý Ethernet — 100 Mbps

• Gigabit Ethernet — 1 Gbps

• 10 Gigabit Ethernet

Jako přenosová média se používá koaxiální kabel, kroucená dvoulinka (nízká cena, vysoká odolnost proti rušení) a optický kabel (vytvoření delších linek a vysokorychlostních komunikačních kanálů).

Kroucený pár (twisted pair) — typ komunikačního kabelu, je jeden nebo více párů izolovaných vodičů stočených dohromady a pokrytých plastovým pláštěm.

Například FTP kabel (kroucený pár – kroucený pár se společným fóliovým stíněním a měděným vodičem pro odvod indukovaných proudů), 4 páry (plný), kategorie 5e (obrázek 3). Kabel je určen pro stacionární instalaci v budovách, konstrukcích a práci ve strukturovaných kabelových systémech. Určeno pro aplikace pracující ve frekvenčním rozsahu s horní hranicí 100 MHz.

Obrázek 3 — kroucený pár: 1 — vnější plášť, 2 — stínění fólie, 3 — drenážní drát, 4 — ochranná fólie, 5 — kroucený pár

Na fyzické úrovni je protokol Ethernet implementován ve formě síťových karet zabudovaných v mikroprocesorových systémech a rozbočovačích, které systémy vzájemně propojují.

Na bázi Ethernetu jsou budovány průmyslové sítě (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink), které úspěšně konkurují dříve vyvinutým sítím Profibus, DeviceNet, CANopen atd.