Элементная база интеллектуальных сенсоров. Часть 2

Цель лекции: ознакомить слушателей с современной элементной базой, применяемой при построении интеллектуальных сенсоров. Описать свойства и принципы построения жидкокристаллических индикаторов, кнопочных, пленочных и силиконовых клавиатур, указать на возможности их конструирования и изготовления по заказу. Рассказать о возможности совмещения функций индикатора и клавиатуры в сенсорных панелях и о преимуществах их использования. Ознакомить с промышленно выпускаемыми микросхемами оперативной, репрограммируемой и постоянной памяти, с достигнутым уровнем их характеристик. Указать на большие возможности флеш-памяти. Дать основные сведения о различных применяемых сейчас видах внешнего интерфейса, позволяющих оптимально решать вопросы "общения" интеллектуальных сенсоров с внешними компьютерами и другими сенсорами.

26.1. Жидкокристаллические индикаторы

Интеллектуальные сенсоры должны выдавать пользователю информацию в наиболее удобной для него форме, предоставлять ему возможности изменять режимы работы сенсора, влиять на функционирование, привлекать внимание пользователя в критических и других предусмотренных ситуациях. С этой целью в состав сенсоров вводят узлы отображения (визуализации) информации, клавиатуру управления и звуковые сигнализаторы.

Устройства отображения информации представлены ныне многими типами дисплеев: светодиодными, электролюминесцентными и катодолюминесцентными, плазменными и т.д. Но в портативных интеллектуальных сенсорах чаще всего используют индикаторы на жидких кристаллах ( ЖКИ, англ. LCD – Liquid Crystal Displays). Они потребляют мало энергии, имеют высокое отношение полезной площади к объему, надежны в работе и относительно недороги. Их работа основана на способности молекул жидких кристаллов переориентироваться в достаточно сильном электрическом поле и в их способности поворачивать плоскость поляризации проходящего поляризованного света.

Конструкцию и принцип действия ЖКИ поясняет рис 26.1.

В ЖКИ между двумя прозрачными стеклянными пластинами размещается жидкокристаллический (ЖК) материал. На поверхности пластины создан микрорельеф, благодаря которому все вытянутые молекулы ЖК материала ориентируются возле поверхности в одном направлении. Ориентация молекул возле поверхности второй стеклянной пластины – перпендикулярная. Из-за этого ориентация молекул в промежуточных молекулярных слоях плавно изменяется (рис 26.1, а ).

При прохождении поляризованного света сквозь упорядоченный таким образом ЖК материал плоскость поляризации света поворачивается на 90 $$\deg$$. Если на ЖК материал наложить достаточно сильное внешнее электрическое поле, то все молекулы переориентируются в направлении этого поля, поворот плоскости поляризации света исчезает. На этом и основан метод формирования изображений в ЖК индикаторах.

Типичная структура ЖКИ показана на рис 26.1, б. Он состоит из поляризатора света 1, стеклянной пластины 2, на нижнюю поверхность которой нанесен прозрачный электрод ( $$SnО_2$$ или $$In_2O_3$$ ), из стеклянной пластины 5, на верхней поверхности которой сформированы сегментные электроды и контактные площадки по краям, вне поля зрения. Между стеклянными пластинами 2 и 5 размещена изолирующая рамка 3, которая задает толщину залитого между ней и стеклянными пластинами ЖК материала 4 (порядка 10 мкм). Ниже стеклянной пластины 5 размещаются анализатор 6 (такой же пленочный поляризатор, как и 1, но в нем плоскость поляризации развернута на 90 $$\deg$$ ) и отражатель света 8.

Когда между электродами на пластинах 2 и 5 электрическое напряжение отсутствует, описанная структура функционирует так. Внешний свет проходит сквозь поляризатор 1 и пластину 5. В ЖК материале 4 плоскость поляризации света поворачивается на 90 $$\deg$$, совпадает с ориентацией анализатора 6, и потому свет легко проходит сквозь него, отражается от зеркального слоя 8, на обратном пути снова проходит сквозь анализатор 6 и ЖК материал 4. Здесь плоскость его поляризации еще раз поворачивается на 90 $$\deg$$ и поэтому на выходе совпадает с ориентацией поляризатора 1. В результате отраженный внешний свет создает сплошной светлый фон.

Если на какой-либо сегментный электрод подать напряжение, то все молекулы над ним переориентируются электрическим полем. Поворот плоскости поляризации света не происходит, после прохождения ЖК материала 4 она остается перпендикулярной к ориентации анализатора 6. Поэтому свет поглощается в нем, участок поля дисплея над таким электродом становится темным. Такое изображение называют " позитивным ". Если ориентации поляризатора 1 и анализатора 6 сделать одинаковыми, то формируется " негативное " изображение: всё поле дисплея остается темным, а над электродами, на которые продано напряжение, образуются светлые участки.

Иногда вместо отражателя 8 в ЖКИ устанавливают плоский источник света (электролюминесцентный, светодиодный и т.п.). Такие ЖКИ работают "на просвет" и могут эксплуатироваться при отсутствии внешнего освещения. Но из-за того, что на подсветку тратится значительная энергия, в портативных сенсорах они применяются редко.

ЖКИ с 7-сегментной структурой нижнего электрода являются простейшими и поэтому имеют наиболее низкую цену. Однако набор символов, которые на них могут быть высвечены, ограничен практически только цифрами и некоторыми знаками (рис 26.2, , б ), на которых можно формировать, кроме цифр, также все буквы латиницы и почти все буквы кириллицы.

Еще большие возможности обеспечивают матричные ЖКИ (рис 26.2, , , д ), многострочные и комбинированные (сегментно-матричные – рис 26.2, е ).

Ряд предприятий принимает и выполняет индивидуальные заказы на ЖКИ нужной потребителю структуры. Многие электронные фирмы выпускают также ЖКИ с интегрированной (методами гибридной технологии) в одном корпусе с индикатором электроникой управления. Это уже полностью завершенные устройства отображения информации, рассчитанные на непосредственное соединение с микропроцессором.

Для применений, в которых нужно отображать на экране не только символьную информацию, но и графики, диаграммы, полноценные изображения, промышленность выпускает монохромные и цветные графические ЖКИ разных форматов и размеров (рис 26.3).

Как правило, они выпускаются вместе с электроникой, обеспечивающей формирование изображений и их запоминание. Важные для разработчиков интеллектуальных сенсоров данные о формате, в котором должны быть представлены выводимые на такой дисплей данные, описываются в сопроводительной технической документации. Стоимость графических ЖКИ, особенно цветных, значительно выше, чем стоимость символьных ЖКИ.

26.2. Клавиатура

Для "общения" пользователя с сенсором применяют разнообразные в верхнем ряду показаны некоторые типы пленочных клавиатур. Они состоят из основы с электропроводящим покрытием, упругой мембраны с отдельными плёночными электродами и внешней пленочной "панели" с предусмотренным конструкторами дизайном.

Преимуществами пленочных клавиатур по сравнению с обычными кнопочными являются большой рабочий ресурс (свыше 20 млн. переключений), простота монтажа, небольшая цена, возможность спроектировать и воплотить уникальный собственный дизайн. Как правило, пленочные клавиатуры делают из полиэфира, который является очень стойким. Места нажатия контактов могут быть плоскими или иметь пластиковый "купол". Время возникновения контакта при нажатии не превышает 5 мс. Электрическое сопротивление при этом уменьшается от 100 МОм до 10 Ом, а после отпускания снова возрастает до исходного значения. Через нажатый контакт можно пропускать ток до 100 мА.

На рис 26.4 в нижнем ряду показаны некоторые силиконовые клавиатуры. Они могут имитировать любую форму выступающих или "утопленных" кнопок или клавиш и любые размеры, сохраняя все преимущества пленочных клавиатур. Тактильный эффект можно подобрать по желанию заказчика и реализовать оптимальное в каждом случае ощущение нажима и ход клавиши от 0 до 5 мм. Внешним оформлением можно имитировать пластиковые и металлические кнопки.

26.3. Сенсорные экраны

При проектировании портативных интеллектуальных сенсоров нередко возникает проблема дефицита площади для размещения дисплея и всей нужной клавиатуры. Выходом в таких случаях может стать применение сенсорных экранов ( англ. – Touch Screen). В них клавиатура и экран, на который выводится информация, объединены в одно целое. Вместе с необходимым изображением на свободных местах экрана формируются изображения виртуальных кнопок управления, которые могут потребоваться в данном режиме работы. Для управления сенсором пользователь дотрагивается до экрана в соответствующих точках. Сообщение о прикосновении передается в микроконтроллер, который организует нужную реакцию на указание пользователя. Для подтверждения приёма команды виртуальная кнопка на экране может каким-то образом измениться: уменьшить или увеличить яркость, мелькать с другой частотой, изменить свой цвет, стать заштрихованной, и т.п. Это будет означать, что указание принято к выполнению. При изменении режима работы виртуальные кнопки управления, которые стали уже не нужны, исчезают с экрана, а в других местах могут появиться другие кнопки управления в зависимости от потребности. Диалог интеллектуального сенсора с пользователем становится от этого более естественным, надежным, более понятным, дружественным. Исчезает необходимость в отдельной жестко фиксированной клавиатуре, она становится программируемой, гибкой, в каждой ситуации функционально оптимальной.

Для достижения этого, перед экраном устанавливают прозрачную сенсорную панель, задача которой – определять координаты точки прикосновения к экрану и передавать их в микроконтроллер, который на этой основе определяет, к какой именно из виртуальных кнопок на экране в данный момент дотрагивается пользователь. Сенсорная панель уменьшает яркость изображения всего на 10-25 % и не мешает его восприятию.

Сейчас между собой конкурируют несколько вариантов реализации сенсорной панели. На рис 26.5 показана конструкция резистивной сенсорной панели. Она состоит из стеклянной основы 1, упругой майларовой мембраны 2 и изолирующих распорок 3. На нижнюю сторону мембраны 2 и на верхнюю сторону стеклянной основы 1 нанесены прозрачные пленочные электропроводящие покрытия 4 и 5. На краях пленки 5 сформированы металлические электроды внешних выводов 6 и 7. Электропроводящее покрытие 5 на стекле делают максимально однородным.

Электрическая схема на рис 26.5, в объясняет принцип действия сенсорной панели. Когда между электродами 6 и 7 подается небольшое эталонное напряжение, то на прозрачной электропроводящей пленке возникает градиент потенциала. При нажатии майларовой мембраны в точке нажима образуется электрический контакт между покрытиями 4 и 5. И через пленку 4 потенциал покрытия 5 в этой точке, пропорциональный координате Х, передается на выход. Дальше он усиливается и поступает на АЦП, двоичный код с которого передается в микроконтроллер. Для определения координаты Y точки нажатия опорное напряжение во втором такте опроса подается между электродами 8 и 9. Создается уже вертикальный градиент потенциала, благодаря чему потенциал на пленочном покрытии 4 становится пропорциональным координате Y. "Считывание" координат Х и Y происходит быстро с интервалом времени менее 1 мс.

В цифровых (или матричных) сенсорных панелях прозрачные электропроводящие пленочные покрытия 4 и 5 (рис 26.5) разделены на системы изолированных параллельных шин, которые образуют координатную сетку. В точке касания соответствующие горизонтальная и вертикальная шины электрически контактируют. Микроконтроллер организует периодическое быстрое сканирование горизонтальных и вертикальных шин. Номера шин, находящихся в контакте, и являются координатами точки касания.

В сенсорных панелях на основе технологии DST (Dispersive Signal Technology) во всех углах мембраны 2 находятся пьезоэлектрические чувствительные элементы. Когда палец или другой предмет ("стилус") дотрагивается до мембраны, то от точки соприкосновения по мембране распространяются упругие волны. Пьезоэлектрические элементы фиксируют их появление, формируя соответствующие электрические сигналы. По разности времен поступления этих сигналов от каждого из 4 угловых пьезоэлектрических элементов микроконтроллер вычисляет координаты точки прикосновения.

Укажем, что сенсорные панели, тонкоплёночные и силиконовые клавиатуры, сами по себе тоже являются сенсорами. Первичные сигналы возникают в них в результате прикосновения или нажатия, т.е. являются механическими. И по нашей классификации эти сенсоры надо отнести к классу механических сенсоров.

26.4. Внутренняя память интеллектуальных сенсоров

В состав микрокомпьютера (микропроцессора, микроконтроллера или микроконвертора), как правило, входят необходимые узлы памяти. Во многих случаях этого бывает достаточно. Однако имеется немало случаев, когда имеющейся там памяти недостаточно, и оказывается нужна дополнительная память. С разными целями в интеллектуальных сенсорах используют следующие виды дополнительной памяти.

26.4.1. Оперативная память

Оперативная память с произвольным адресным доступом. Она нужна для занесения и хранения текущих данных: текущей информации, данных измерения, промежуточных результатов вычислений и т.п. Иногда ее называют еще "памятью данных" или RAM (Random Access Memory). При выключении питания вся записанная в такой памяти информация пропадает. Сразу после включения питания состояние ячеек этой памяти является неопределенным. Поэтому перед дальнейшим использованием в неё надо программно заносить нужную начальную информацию ("инициировать"). Если требуется сохранять имеющуюся информацию и тогда, когда сенсор не работает, то при отключении общего питания оперативную память переключают на питание от независимого источника (батарейки). Микросхемы оперативной памяти, имеющие встроенный источник питания и электронику автоматического переключения питания, иногда называют " энергонезависимой памятью".

Вариантами оперативной памяти являются статическая (Static RAM – SRAM) и динамическая оперативная память (Dynamic RAM – DRAM). Микросхемы динамической памяти имеют обычно более высокую плотность ячеек. Поэтому удельная стоимость единицы информации в них меньше, чем у статической оперативной памяти. Но динамическая память нуждается в частой периодической регенерации. По этой причине в интеллектуальных сенсорах чаще используют статическую память.

В портативных интеллектуальных сенсорах рекомендуется использовать микросхемы КМДН памяти с малой потребляемой мощностью. Они выпускаются объемом от 2 Кбит до 32 Мбит на одном кристалле с разной организацией (1-, 8- и 16-разрядной) в корпусах разного типа или даже бескорпусные (рис 26.6). В качестве примера можно назвать микросхемы HM-6516 статической оперативной КМДН памяти фирмы Intersil объемом 16 Кбит, имеющие организацию 2048 слов по 8 разрядов (2 Кбайт). Они обеспечивают время доступа от 120 до 200 нс, потребляя мощность 275 мкВт при пассивном хранении данных и 55 мВт/МГц в режимах записи и считывания.

Микросхемы $$\mu$$ PD441000L-X статической оперативной КМДН памяти фирмы NEK объемом 1 Мбит имеют организацию 131072 слов по 8 разрядов (128 Кбайт), обеспечивают время доступа от 70 до 150 нс. Сверхбыстродействующие микросхемы этой же фирмы $$\mu$$ PD4416001 и $$\mu$$ PD4416016 объемом 16 Мбит, имея соответственно 1- и 16-разрядную организацию, обеспечивают время доступа от 15 до 17 нс.

26.4.2. Постоянная память

Постоянная память – это память с произвольным адресным доступом, в которой записанная информация не изменяется, надежно сохраняется и при отсутствии питания. Она нужна для хранения программ работы микроконтроллера, констант, таблиц и других данных, которые не меняются при функционировании сенсора. Ее называют еще "памятью программ" или RОМ ( англ. "read only memory"). Имеются микросхемы постоянной памяти, в которые информацию заносят раз навсегда уже при изготовлении микросхем. Но в сенсорах чаще применяют электрически программируемую постоянную память, которую называют еще ЕРRО. Информацию в нее (это, как правило, программы работы микроконтроллера, режимные параметры, служебные данные) заносят с помощью специальных "программаторов" при инсталляции и налаживании работы сенсора. В экспериментальных и исследовательских образцах сенсоров лучше использовать другой вариант – репрограммируемую постоянную память. Записанную в нее информацию при необходимости можно изменить (до 1000–10000 раз). Основные варианты репрограммируемой постоянной памяти – это электрически репрограммируемая постоянная память (ЕЕРRОМ) и программируемая постоянная память с ультрафиолетовым стиранием. Некоторые микросхемы ЕЕРRОМ можно применять при испытаниях исследовательских образцов сенсоров с целью быстрого перехода на другие исследовательские варианты функционирования сенсора.

Палитра программируемых при изготовлении, однократно электрически программируемых микросхем постоянной памяти и допускающих многократное репрограммирование, перекрывает диапазон объемов от 2 Кбит до 16 Мбит с 8-разрядной или 16-разрядной организацией. Диапазон номиналов напряжения питания – от 2,7 В до 15 В $$\pm$$ 10 %. Среди них есть немало таких, которые программируются от того же напряжения, которым питаются. Продолжительность цикла считывания – 40–200 нс.

26.4.3. Память с последовательным доступом

Память с последовательным доступом или флэш-память не позволяет записывать или считывать информацию адресно, из произвольной ячейки. Записывать или считывать данные можно лишь последовательно – ячейка за ячейкой. Но записывать, накапливать в таких микросхемах можно большие объемы данных, которые надежно хранятся и при отсутствии питания.

В последнее десятилетие произошел большой скачок в разработке, производстве и применении флэш-памяти. Сейчас она широко применяется в таких интеллектуальных сенсорах, как цифровые фотоаппараты и видеокамеры, диктофоны, плееры, мобильные телефоны и смартфоны и т.п. Флэш-память ныне можно приобрести от многих производителей как в виде отдельных микросхем, в том числе бескорпусных, так и в виде "карт памяти" или в виде флэш-накопителей (рис 26.7).

Объем памяти на одном кристалле достигает уже 64-256 Мбит, а объем памяти переносных флэш-накопителей и флэш-карт – 16-32 Гбайт, о чем раньше можно было только мечтать.

26.5. Внешний интерфейс

Интеллектуальные сенсоры, как правило, рассчитаны и предоставляют пользователям возможность непосредственного соединения их с персональным или профессиональным компьютером или с сетью связи. Это позволяет легко переносить накопленные данные измерений, наблюдений, обследований в компьютер или даже в отдаленный компьютер с целью дальнейшей их обработки, документирования, длительного хранения, систематизации, сопоставления с другими данными. Сенсоры, обладающие такой способностью, легко вписываются в современные автоматизированные системы производства, контроля, исследований, в информационные сети и т.п.

Существуют, как известно, много разных стандартов внешнего интерфейса, ориентированных на разные потребности обмена данными. И для интеллектуальных сенсоров стандарт (или стандарты) внешнего общения следует выбирать, исходя из действительных нужд.

Наиболее распространенным ныне является последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных согласно стандарту EIA RS-232-C и рекомендациям V.24 CCITT. Сокращенно его называют RS-232. Он предназначен для непосредственного соединения кабелем двух произвольных устройств, одним из которых в нашем случае является интеллектуальный сенсор. Передающий выход одного устройства соединяется с приемным входом другого и наоборот (рис 26.8). Для организации обмена данными используют специальные символы. Слева изображена схема соответствующей 4-жильной линии связи, которая применяется чаще всего, а справа – схема стандартного 9-контактного разъема. Назначение линий таково:

TxD (Transmit Data) – данные, которые передаются от сенсора в компьютер или от компьютера в сенсор последовательным двоичным кодом;

RxD (Receive Data) – данные, которые принимаются компьютером от сенсора или же сенсором от компьютера;

RtS (Request to Send) – сигнал запроса на передачу, который активируется во время передачи;

CtS (Clear to Send) – сигнал готовности приемника к передаче, – активен во время приема данных;

DSR (Data Set Ready) – сигнал готовности данных, который используется при работе с модемом;

SG – "нулевой" ("общий") провод, "сигнальное заземление";

DCD (Carrie Detect) – детектирование принятого сигнала;

DTR (Data Terminal Ready) – используется при работе с модемом;

RI (Ring Indicator) – индикатор вызова, который используется при работе с модемом телефонной сети;

GND (System Ground) – корпус ("земля") устройства;

FG – защитное заземление (экран) кабеля.

Данные передаются побайтно. К каждому байту впереди прибавляется стартовый бит, а в конце – бит чётности и 1-2 стоповых бита. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии связи в приемный регистр биты данных тактами через установленные интервалы времени. Важно, чтобы продолжительность тактов приемника и передатчика была одинаковой ( $$\pm$$ 10 %). Скорость передачи выбирается из следующего стандартного ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 или 115200 бит/с (это – максимум). Расстояние, на которое ведется передача, не должно превышать 15 м.

Внешний интерфейс RS-232 поддерживают почти все микроконтроллеры и микроконверторы, в которые конструктивно встроены для этого соответствующие узлы и внешние выводы ("последовательный порт").

Возможность передачи данных на расстояния до 1200 м одновременно нескольким адресатам и получения данных от нескольких (до 32) абонентов со скоростью до 10 Мбит/с обеспечивает стандарт EIA RS-485, который часто используют в промышленности.

В последнее время все более популярным становится интерфейс USB (Universal Serial Bus). Первая версия этого стандарта утверждена в 1996 г. Нынешние компьютеры допускают подключение этого интерфейса даже в процессе работы, автоматически распознают его и активируют требуемый для работы с ним драйвер. Протокол USB предусматривает 2 скорости передачи данных: высокую (12 Мбит/с) и низкую (1,5 Мбит/с). Он допускает большое количество соединенных в сеть устройств – до 127. Максимальная длина кабеля соединения – до 5 м. Сигналы передаются через 4-жильный кабель и 4-контактный разъём (рис 26.9).

Стандартом предусмотрено 2 формы разъёма: одна – для соединения кабеля с компьютером, другая – для соединения с периферийным устройством, в нашем случае – с интеллектуальным сенсором. Конструкция USB разъёмов рассчитана на многократное быстрое соединение/ разъединение, что важно для портативных сенсоров. Через первый контакт разъема подается напряжение питания (обычно +5 В), которое может быть использовано для питания периферийного устройства небольшой мощности; через контакт 2 происходит прием, через контакт 3 – передача данных; контакт 4 – это "общая шина" (шина "земли").

"Старшим братом" интерфейса USB называют стандарт IEEE 1394, который именуют еще FireWire или L-Link. Он обеспечивает скорость передачи данных до 400 Мбит/с, которой достаточно даже для того, чтобы передавать в реальном времени динамические цветные видеоизображения. К сожалению, большинство компьютеров еще не имеют соответствующего порта приема/передачи данных и не поддерживают этот стандарт. Тем не менее, он довольно перспективен.

Кроме последовательного интерфейса, существует немало стандартов параллельного интерфейса. В таком интерфейсе с целью ускорения обмена информацией данные передаются не по одному проводу бит за битом, а параллельно по нескольким проводам – байтами, полубайтами, 16-разрядными словами. Каждый бит передаётся в этом случае через свою жилу многожильного кабеля. Описание разных вариантов параллельного интерфейса довольно громоздко. В интеллектуальных сенсорах он практически не применяется. Поэтому детально описывать их мы не будем. Это можно прочитать в стандарте на параллельный интерфейс IEEE 1284.

Соединительный проводящий кабель вовсе не является обязательным элементом для обмена данными между сенсором и компьютером. Уже давно разработаны и используются устройства "инфракрасного" интерфейса. Большинство из нас пользуется пультиками дистанционного инфракрасного (ИК) управления телевизорами, видеомагнитофонами, другой бытовой техникой. Сейчас действует стандарт на ИК интерфейс IrDA (Infra red Data Assoсiation), рассчитанный на "ближний" ИК диапазон длин волн 850–900 нм с максимумом спектральной плотности излучения вблизи 880 нм. Он позволяет использовать недорогие малогабаритные устройства ИК связи. Функциональная схема такого устройства показана на рис 26.10. Он состоит из генератора тока (ГТ) через ИК светодиод (СД), фотодиода (ФД), как правило, с $$p-і-n$$ структурой, из узла усиления и порогового детектирования сигналов (УПД).

Стандарт IrDA требует, чтобы информация передавалась побайтно. В начале каждого байта прибавляется стартовый бит ("0"), а в конце – стоп-бит ("1"); всего выходит 10 бит. Последовательные биты кодируются таким образом: "0" передается ИК импульсом продолжительностью от 1,6 нс до 3/16 периода передачи одного бита; "1" передается отсутствием ИК излучения на указанном интервале времени. Интенсивность излучения в конусе $$\pm$$ 30 $$\deg$$ должна быть 40-50 мВт/стерадиан. Двоичные коды, предназначенные для передачи, в том числе, стартовый и стоп-бит, формирует компьютер (в интеллектуальном сенсоре – микроконтроллер) и бит за битом подает их на ГТ. Когда поступает "0", то импульс тока пропускается через СД, который излучает при этом импульсы ИК света. Когда импульсы света попадают на ФД, в нем формируются соответствующие импульсы фототока, которые усиливаются и детектируются в УПД.

Принятый байт передается в компьютер. В программном обеспечении компьютера для своевременного обнаружения ошибок передачи могут предусматриваться периодическая передача и контроль 2-байтной контрольной суммы, двух- или трехкратная передача одних и тех же данных, передача ряда дополнительных контрольных битов, позволяющих обнаруживать и исправлять ошибки, и другие "хитрости". Скорость передачи может быть от 2400 бит/с до 4 Мбит/с.

Относительно скорости передачи, продолжительности импульсов, использования контрольных сумм, максимальной продолжительности одного "кванта" передачи, паузы между "квантами", о способе подтверждения приема сигналов и т.п. "соглашениях", стороны "договариваются" при установлении связи.

В последние годы все чаще стали применяться также беспроводные интерфейсы сверхвысокочастотной радиосвязи, особенно Bluetooth. Согласно стандарту Bluetooth 1.1 связь происходит на частоте около 2,4 ГГц (не лицензированная полоса частот) радиосигналами малой мощности на расстоянии до 10 м (с усилителем – до 100 м). Уже ряд фирм промышленно выпускают готовые Bluetooth модули, в которых заложена вся электроника и программное обеспечение, требуемые для установления и поддержания связи. Разработчику интеллектуальных сенсоров нет необходимости углубляться в детали работы этих модулей. Следует лишь обратить внимание на то, какие "профили" Bluetooth поддерживает избранный модуль, и есть ли среди них те, которые нужны для "общения" с нужными Вам компьютерами.

Один из примеров Bluetooth модулей – модуль BGB203-S06 компании NXP, показан на рис 26.11. Он выпускается в миниатюрном корпусе HVQFN, предназначенном для поверхностного монтажа.

Модуль реализует наиболее популярный Bluetooth профиль – профиль последовательного интерфейса "Serial Port Profile" и автоматически обеспечивает эмуляцию стандартных последовательных интерфейсов RS-232 или USB. В модуль интегрирована флэш-память на 268 Кб, которая позволяет пользователю расширить выполняемые модулем функции.

Детальнее об интерфейсе Bluetooth можно прочитать в [].

26.6. Питание портативных интеллектуальных сенсоров

В завершение обзора элементной базы интеллектуальных сенсоров коснемся еще важного вопроса питания портативных сенсоров. Работая в автономном режиме, они часто не могут быть запитаны от стационарной электросети. В таких случаях для питания сенсора используют батарейки или аккумуляторы. При их выборе, кроме цены, важнейшее значение имеет такая их характеристика, как удельная энергоёмкость – отношение запасенной электроэнергии к массе или объему. В табл. 26.1 для 5 типов наиболее распространенных аккумуляторов приведены значения их удельной энергоёмкости.

Как видно из этой таблицы, наибольшей удельной энергоемкостью характеризуются ионно-литиевые полимерные аккумуляторы. Соответственно их и рекомендуется применять в портативных автономных сенсорах, у которых критически важны массогабаритные характеристики.

Краткие итоги

Интеллектуальные сенсоры должны выдавать пользователю информацию в наиболее удобной для него форме, предоставлять ему возможности изменять режимы работы сенсора, влиять на функционирование, привлекать внимание пользователя в критических и других предусмотренных ситуациях. С этой целью в состав сенсоров вводят узлы отображения (визуализации) информации, клавиатуру управления и звуковые сигнализаторы. Чаще всего в интеллектуальных сенсорах используют индикаторы на жидких кристаллах. Они потребляют мало энергии, имеют высокое отношение полезной площади к объему, надежны в работе и относительно недороги. Их работа основана на способности молекул жидких кристаллов переориентироваться в достаточно сильном электрическом поле и в их способности поворачивать плоскость поляризации проходящего поляризованного света. Сейчас промышленно выпускаются одно- и многопозиционные сегментные и матричные ЖК индикаторы, многострочные и сегментно-матричные, монохромные и цветные графические ЖКИ разных форматов и размеров. Как правило, они выпускаются вместе с электроникой, обеспечивающей формирование изображений и их запоминание.

Для "общения" пользователя с сенсором применяют разнообразные клавиатуры. Это могут быть отдельные кнопки или клавиши, пленочные (мембранные) или силиконовые клавиатуры. Преимуществами пленочных и силиконовых клавиатур по сравнению с обычными кнопочными являются большой рабочий ресурс (свыше 20 млн. переключений), простота монтажа, небольшая цена, возможность спроектировать и воплотить уникальный собственный дизайн.

В интеллектуальных сенсорах часто применяют сенсорные экраны, в которых клавиатура и экран объединены в одно целое. Вместе с необходимым изображением на свободных местах экрана формируются изображения виртуальных кнопок управления, которые могут потребоваться в данном режиме работы. Для управления сенсором пользователь дотрагивается до экрана в соответствующих точках. Сообщение о прикосновении передается в микроконтроллер, который организует нужную реакцию на указание пользователя. При изменении режима работы сенсора виртуальные кнопки управления, ставшие не нужными, исчезают с экрана, а в других местах могут появиться другие кнопки управления в зависимости от потребности. Диалог интеллектуального сенсора с пользователем становится от этого более естественным, надежным, более понятным, дружественным.

В некоторых интеллектуальных сенсорах той памяти, которая обычно имеется в микрокомпьютере, оказывается недостаточно. Тогда используют необходимые виды дополнительной памяти: оперативной, постоянной, репрограммируемой или память большого объёма с последовательным доступом. Набор промышленных микросхем памяти, пригодных для применения в интеллектуальных сенсорах, достаточно широк.

Для предоставления пользователям возможности непосредственного соединения их интеллектуального сенсора с внешним компьютером или с сетью связи применяют различные интерфейсы. Наиболее часто применяется последовательный интерфейс RS-232. Его поддерживают почти все микроконтроллеры и микроконверторы, в которые встроен для этого т.н. "последовательный порт". Все более популярным становится интерфейс USB. Нынешние компьютеры допускают подключение этого интерфейса даже в процессе работы. При необходимости в интеллектуальных сенсорах может быть использован также беспроводный интерфейс. Наиболее подходят для этого "инфракрасный" интерфейс IrDA, рассчитанный на "ближний" ИК диапазон длин волн, и интерфейс сверхвысокочастотной радиосвязи Bluetooth.

Набор для практики

Вопросы для самопроверки

Упражнения

Упражнение 26.1. Дайте ответы на некоторые вопросы, касающиеся взаимодействия интеллектуального сенсора с пользователем.

Вариант 1. Перечислите доступные сейчас виды устройств отображения информации. Почему в портативных интеллектуальных сенсорах чаще всего используют ЖКИ?

Вариант 2. Объясните принцип действия жидкокристаллических индикаторов. Чем отличаются "позитивный" и "негативный" режимы их работы?

Вариант 3. Объясните конструкцию жидкокристаллического сегментного индикатора. Эскизно изобразите её.

Вариант 4. Назовите другие (кроме сегментных) виды жидкокристаллических дисплеев и вкратце охарактеризуйте их.

Вариант 5. Назовите существующие виды клавиатур и вкратце охарактеризуйте их.

Вариант 6. Объясните устройство резистивных сенсорных экранов.

Вариант 7. Объясните устройство матричных сенсорных экранов.

Вариант 8. Объясните устройство сенсорных экранов на основе технологии DST.

Упражнение 26.2. Дайте ответы на некоторые вопросы, касающиеся внутренней памяти интеллектуальных сенсоров.

Вариант 1. Для чего предназначена оперативная память? Каковы её особенности? Что означает "инициировать" оперативную память?

Вариант 2. Чем отличаются "статическая" и "динамическая" оперативная память?

Вариант 3. Чем отличается "энергонезависимая" оперативная память?

Вариант 4. Для чего предназначена постоянная память? Каковы её особенности?

Вариант 5. Что такое "электрически программируемая постоянная память?

Вариант 6. Что такое "репрограммируемая память"? Назовите основные её виды.

Вариант 7. Каковы особенности памяти "с последовательным доступом".

Вариант 8. Назовите и кратко охарактеризуйте основные виды конструктивного оформления микросхем памяти.

Упражнение 26.3. Дайте ответы на некоторые вопросы, касающиеся внешнего интерфейса интеллектуальных сенсоров.

Вариант 1. Расскажите, что Вы знаете о последовательном интерфейсе RS-232. Что собой представляет соответствующая линия связи? Как выглядит соответствующий разъем? Какова возможная скорость передачи данных? И т.д.

Вариант 2. Как организована передача данных в последовательном интерфейсе RS-232?

Вариант 3. Расскажите, что Вы знаете о последовательном интерфейсе USB. Что собой представляет соответствующая линия связи? Как выглядит соответствующий разъем? Какова возможная скорость передачи данных? И т.д.

Вариант 4. Расскажите, что Вы знаете о параллельном интерфейсе. Чем он отличается от последовательного?

Вариант 5. Расскажите, что Вы знаете об устройствах "инфракрасного" интерфейса? В каком диапазоне длин волн он работает? Как кодируются в нем биты информации?

Вариант 6. Какие меры можно применять для повышения надежности обмена информацией между интеллектуальным сенсором и компьютером?

Вариант 7. Расскажите, что Вы знаете о беспроводных интерфейсах сверхвысокочастотной радиосвязи.

Вариант 8. Расскажите, что Вы знаете об автономном питании портативных интеллектуальных сенсоров.

Ответы

Ответы на вопросы

1. Узлы отображения информации и клавиатура нужны в интеллектуальных сенсорах для выдачи пользователю информации в наиболее удобной для него форме и для предоставления ему возможности изменять режимы работы сенсора, влиять на функционирование. Именно эти узлы обеспечивают эффективное взаимодействие пользователя с сенсором.

2. Сокращение "ЖКИ" расшифровывается как "жидкокристаллический индикатор". В портативных интеллектуальных сенсорах ЖКИ предпочитают применять потому, что они потребляют мало энергии, имеют высокое отношение полезной площади к объему, надежны в работе и относительно недороги.

3. "Графический дисплей" – это экран, на котором можно отображать не только символьную информацию, но и графики, диаграммы, полноценные изображения.

4. "Сенсорный экран" – это дисплей и клавиатура, объединенные в одно целое. Вместе с необходимым изображением на свободных местах экрана формируются изображения виртуальных кнопок управления, которые могут потребоваться в данном режиме работы. Для управления сенсором пользователь дотрагивается до экрана в соответствующих точках. Сообщение о прикосновении передается в микроконтроллер, который организует нужную реакцию на указание пользователя.

5. Основными достоинствами сенсорных экранов являются: экономия места (что очень важно для портативных сенсоров); исчезает необходимость в отдельной жестко фиксированной клавиатуре, она становится программируемой, гибкой, в каждой ситуации функционально оптимальной.

6. Внутренняя память становится нужна в сенсоре тогда, когда памяти, входящей в состав микропроцессора (микроконтроллера, микроконвертора), оказывается недостаточно.

7. Различают следующие виды внутренней памяти: оперативную, постоянную, репрограммируемую и память с последовательным доступом.

8. Под "организацией памяти" понимают разрядность "ячеек памяти", т.е. разрядность хранящихся под одним "адресом" чисел (слов), а также способ адресации к этим ячейкам – произвольный доступ по "адресу" или последовательный доступ.

9. "Произвольный адресный доступ" к памяти означает, что, задав любой допустимый адрес, можно сразу же считать или записать информацию в соответствующую ячейку памяти.

10. "Флэш-память" – это память с последовательным доступом. Записывать или считывать данные из неё можно лишь последовательно – ячейка за ячейкой. Но записывать, накапливать в таких микросхемах можно большие объемы данных, которые надежно хранятся и при отсутствии питания. "Флэш-карта" – это микросхемы флэш-памяти, оформленные в виде небольших пластин или "карт" с внешними выводами на торцах. "Флэш-накопитель" – это автономный узел флэш-памяти большого объема, который через соответствующий разъём может быть легко подключен к компьютеру или сенсору и который позволяет переносить между ними большие объёмы информации.

11. Внешний интерфейс нужен в интеллектуальных сенсорах для того, чтобы легко можно было организовать информационный обмен между сенсором и внешним компьютером или между сенсором и сетью связи.

12. Беспроводный интерфейс интеллектуального сенсора с компьютером" вполне возможен. Для этого можно использовать как оптический, в частности, инфракрасный интерфейс, так и радиосвязь, в частности, сверхвысокочастотную, например, интерфейс Bluetooth.

Ответы к упражнениям

Упражнение 26.1.

Вариант 1. Сейчас доступны такие виды устройств отображения информации, как стрелочные, знаковые, светодиодные, электролюминесцентные, катодолюминесцентные, плазменные и т.д. В портативных интеллектуальных сенсорах чаще всего используют индикаторы на жидких кристаллах потому, что они потребляют мало энергии, имеют высокое отношение полезной площади к объему, надежны в работе и относительно недороги.

Вариант 2. В ЖКИ между двумя прозрачными стеклянными пластинами размещается жидкокристаллический (ЖК) материал. На поверхности пластины создан микрорельеф, благодаря которому все вытянутые молекулы ЖК материала ориентируются возле поверхности в одном направлении. Ориентация молекул возле поверхности второй стеклянной пластины – перпендикулярная. Из-за этого ориентация молекул в промежуточных молекулярных слоях плавно меняется. Они образуют закрученную подобно спирали структуру, которая при прохождении света поворачивает плоскость его поляризации на 90 $$\deg$$. Если на ЖК материал наложить достаточно сильное внешнее электрическое поле, то все молекулы переориентируются в направлении этого поля, поворот плоскости поляризации света исчезает. В конструкцию ЖКИ входят поляризатор и анализатор света. Если их установить так, чтобы при отсутствии электрического поля свет свободно проходил сквозь анализатор, образуя на индикаторе светлый фон, то такой режим работы называют "позитивным". Если же при отсутствии электрического поля анализатор установлен так, что полностью гасит свет, формируя на индикаторе темный фон, то такой режим работы называют "негативным".

Вариант 3. Конструкцию жидкокристаллического сегментного индикатора можно эскизно изобразить, как показано на рис.А. Здесь 1 –поляризатор света, 2 – стеклянная пластина со сплошным прозрачным электродом; 3 – изолирующая рамка; 4 – ЖК материал; 5 – стеклянная пластина с сегментными прозрачными электродами и контактными площадками к ним (по краям, вне поля зрения); 6 – анализатор; 7 – ламели внешних выводов; 8 – отражающий зеркальный слой. Когда между электродами 2 и 5 электрическое напряжение отсутствует, внешний свет проходит сквозь поляризатор 1. В ЖК материале 4 плоскость поляризации света поворачивается на 90 $$\deg$$, совпадает с ориентацией анализатора 6, и потому свет легко проходит сквозь него, отражается от зеркального слоя 8, на обратном пути проходит то же самое.

В результате отраженный внешний свет создает сплошной светлый фон. Если на какой-либо сегментный электрод подать напряжение, то все молекулы над ним переориентируются электрическим полем. Поворот плоскости поляризации света не происходит, после прохождения ЖК материала 4 она остается перпендикулярной к ориентации анализатора 6. Поэтому свет поглощается в нем, участок поля дисплея над таким электродом становится темным.

Вариант 4. Кроме сегментных, в интеллектуальных сенсорах применяют также следующие виды жидкокристаллических дисплеев: матричные ЖКИ, на которых знаки формируются из набора отдельных элементов ("пикселей"); многопозиционные сегментные и матричные индикаторы, многострочные и комбинированные (сегментно-матричные). Для применений, в которых нужно отображать на экране не только символьную информацию, но и графики, диаграммы, полноценные изображения, промышленность выпускает монохромные и цветные графические ЖКИ разных форматов и размеров. Они, как правило, выпускаются вместе с электроникой, обеспечивающей формирование изображений и их запоминание.

Вариант 5. Сейчас существуют следующие виды клавиатур: отдельные кнопки, клавиши или их наборы; пленочные (мембранные) или силиконовые клавиатуры. Пленочные клавиатуры состоят из основы с электропроводящим покрытием, упругой мембраны с отдельными плёночными электродами и внешней пленочной "панели". Их преимуществами по сравнению с классическими кнопочными клавиатурами являются большой рабочий ресурс (свыше 20 млн. переключений), простота монтажа, небольшая цена, возможность спроектировать и воплотить уникальный собственный дизайн. Как правило, пленочные клавиатуры делают из полиэфира, который является очень стойким. Места нажатия контактов могут быть плоскими или иметь пластиковый "купол". Время возникновения контакта при нажатии не превышает 5 мс. Силиконовые клавиатуры могут имитировать любую форму выступающих или "утопленных" кнопок или клавиш и любые размеры, сохраняя все преимущества пленочных клавиатур. Тактильный эффект можно подобрать по желанию заказчика и реализовать оптимальное в каждом случае ощущение нажима и ход клавиши от 0 до 5 мм. Внешним оформлением можно имитировать пластиковые и металлические кнопки.

Вариант 6. Резистивный сенсорный экран состоит (рис.) из стеклянной основы 1, упругой майларовой мембраны 2 и изолирующих распорок 3. На нижнюю сторону мембраны 2 и на верхнюю сторону стеклянной основы 1 нанесены прозрачные электропроводящие покрытия 4 и 5. На краях сформированы металлические электроды внешних выводов 6 и 7. Электропроводящее покрытие на стекле делают максимально однородным.

Электрическая схема объясняет принцип действия сенсорной панели. Когда между электродами 6 и 7 подается небольшое эталонное напряжение, то на прозрачной электропроводящей пленке возникает градиент потенциала. При нажатии майларовой мембраны в точке нажима образуется электрический контакт между покрытиями 4 и 5. И через пленку 4 потенциал покрытия 5 в этой точке, пропорциональный координате Х, передается на выход. Для определения координаты Y точки нажатия опорное напряжение во втором такте опроса подается между электродами, расположенными ортогонально к электродам 6 и 7. Создается уже вертикальный градиент потенциала, благодаря чему потенциал на пленочном покрытии 4 становится пропорциональным координате Y. "Считывание" координат Х и Y происходит быстро с интервалом времени менее 1 мс.

Вариант 7. Структура матричных сенсорных экранов подобна описанной в варианте 6. Сенсорный экран состоит из стеклянной основы 1, упругой мембраны 2 из майлара и изолирующих распорок 3. На нижнюю сторону мембраны 2 и на верхнюю сторону стеклянной основы 1 нанесены прозрачные электропроводящие покрытия 4 и 5. Отличием является то, что в матричных сенсорных панелях эти покрытия разделены на системы изолированных параллельных шин, которые образуют ортогональную координатную сетку. В точке касания соответствующие горизонтальная и вертикальная шины электрически контактируют. Микроконтроллер организует периодическое быстрое сканирование горизонтальных и вертикальных шин. Номера шин, находящихся в контакте, и являются координатами точки касания.

Вариант 8. В сенсорных экранах на основе технологии DST во всех углах упругой мембраны находятся пьезоэлектрические чувствительные элементы. Когда палец или "стилус" дотрагивается до мембраны, то от точки соприкосновения по мембране распространяются упругие волны. Пьезоэлектрические элементы фиксируют их появление, формируя соответствующие электрические сигналы. По разности времен поступления этих сигналов от каждого из 4 угловых пьезоэлектрических элементов микроконтроллер вычисляет координаты точки прикосновения.

Упражнение 26.2.

Вариант 1. Оперативная память предназначена для занесения и хранения промежуточных данных: текущей информации, результатов измерений, промежуточных результатов вычислений и т.п. При выключении питания вся записанная в такой памяти информация пропадает. Сразу после включения питания состояние ячеек этой памяти является неопределенным. Поэтому перед дальнейшим использованием в неё надо программно заносить нужную начальную информацию ("инициировать").

Вариант 2. В "статической" оперативной памяти записанная в ячейку информация может сохраняться очень долго. В "динамической" оперативной памяти информацию надо периодически обновлять (регенерировать). Зато микросхемы динамической памяти имеют обычно более высокую плотность ячеек. Поэтому удельная стоимость единицы информации в них меньше, чем у статической оперативной памяти. В интеллектуальных сенсорах чаще используют статическую память.

Вариант 3. "Энергонезависимая" оперативная память нужна в тех случаях, если имеющуюся информацию требуется сохранять и тогда, когда сенсор не работает. В этом случае при отключении общего питания оперативную память переключают на питание от независимого источника (аккумуляторной батарейки). Микросхемы оперативной памяти, имеющие встроенный источник питания и электронику автоматического переключения питания, и называют "энергонезависимой памятью".

Вариант 4. Постоянная память – это память с произвольным адресным доступом, в которой записанная информация не изменяется в процессе функционирования, надежно сохраняется и при отсутствии питания. Она предназначена для хранения программ работы микроконтроллера, констант, таблиц и других данных. Ее часто называют еще "памятью программ".

Вариант 5. "Электрически программируемая постоянная память" – это память, информацию в которую (программы работы микроконтроллера, режимные параметры, служебные данные) заносят электрическими импульсами с помощью специальных "программаторов" при инсталляции и налаживании работы сенсора.

Вариант 6. "Репрограммируемая память" – это память, в которой записанная информация при необходимости может быть изменена (до 1000–10000 раз). Основными её видами являются электрически репрограммируемая постоянная память (ЕЕРRО) и программируемая постоянная память с ультрафиолетовым стиранием. В последнем случае для записи новой информации память надо предварительно "очистить" с помощью ультрафиолетового облучения.

Вариант 7. Особенностью памяти "с последовательным доступом" является то, что записывать или считывать информацию из неё нельзя адресно, обращаясь к произвольной ячейке. Записывать или считывать данные можно лишь последовательно – ячейка за ячейкой. Но записывать, накапливать в таких микросхемах можно большие объемы данных, которые надежно хранятся и при отсутствии питания.

Вариант 8. Микросхемы памяти сейчас конструктивно могут быть оформлены в стандартных корпусах, в мини-корпусах, в бескорпусном виде (в виде кристаллов с выводами), в виде "карт памяти" или в виде накопителей. Микросхемы в стандартных корпусах предназначены для монтажа на обычные печатные платы, в мини-корпусах – для т.н. "поверхностного монтажа", бескорпусные – для монтажа в гибридные интегральные схемы. "Карты памяти" рассчитаны на то, чтобы их можно было легко вставлять и вынимать из сенсора, а "накопители" – на автономное использование и соединение с сенсором или компьютером через стандартный "порт".

Упр. 26.3. Вариант 1. Последовательный интерфейс RS-232 – это наиболее распространенный ныне интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных согласно стандарту EIA RS-232-C и рекомендациям V.24 CCITT. Он предназначен для непосредственного соединения кабелем двух произвольных устройств, одним из которых в нашем случае является интеллектуальный сенсор. Передающий выход одного устройства соединяется с приемным входом другого и наоборот. Используется 4-жильная линия связи и стандартный 9-контактный разъем (см. рис.).

Через одну из жил и соответствующий контакт разъема (TxD – Transmit Data) передаются данные от сенсора в компьютер или от компьютера в сенсор последовательным двоичным кодом. Через другую (RxD – Receive Data) данные принимаются. Третья жила – это "нулевой" ("общий") провод, а четвертая – экранная оплетка кабеля. Скорость передачи выбирается из стандартного ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 или 115200 бит/с. Расстояние, на которое ведется передача, не должно превышать 15 м.

Вариант 2. Передача данных в последовательном интерфейсе RS-232 организована следующим образом. Данные передаются побайтно. К каждому байту впереди прибавляется стартовый бит, а в конце – бит чётности и 1-2 стоповых бита. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии связи в приемный регистр биты данных тактами через установленные интервалы времени. Важно, чтобы продолжительность тактов приемника и передатчика была одинаковой ( $$\pm$$ 10 %). Скорость передачи выбирается из следующего стандартного ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 или 115200 бит/с.

Вариант 3. Последовательный интерфейс USB (Universal Serial Bus) стандартизован в 1996 г. Нынешние компьютеры допускают подключение этого интерфейса даже в процессе работы, автоматически распознают его и активируют соответствующий драйвер. Протокол USB предусматривает 2 скорости передачи данных: высокую (12 Мбит/с) и низкую (1,5 Мбит/с). Он допускает большое количество соединенных в сеть устройств – до 127. Максимальная длина кабеля соединения – до 5 м. Сигналы передаются через 4-жильный кабель и 4-контактный разъём. Стандартом предусмотрено 2 формы разъёма: одна – для соединения кабеля с компьютером, другая - для соединения с периферийным устройством, например, с интеллектуальным сенсором. Конструкция USB разъёмов рассчитана на многократное быстрое соединение/разъединение. Через первый контакт разъема подается напряжение питания (обычно +5 В), которое может быть использовано для питания периферийного устройства небольшой мощности; через контакт 2 происходит прием, через контакт 3 – передача данных; контакт 4 – это "общая шина" (шина "земли").

Вариант 4. При параллельном интерфейсе с целью ускорения обмена информацией данные передаются не последовательно бит за битом по одному проводу, а параллельно по многим проводам – полубайтами, байтами, 16-разрядными словами. Каждый бит передаётся в этом случае по "своей" жиле многожильного кабеля. Скорость передачи ускоряется в число раз, равное числу жил. Имеется много разных стандартов параллельного интерфейса.

Вариант 5. Сейчас действует стандарт на "инфракрасный" интерфейс IrDA (Infra red Data Assoсiation), рассчитанный на "ближний" ИК диапазон длин волн 850–900 нм с максимумом спектральной плотности излучения вблизи 880 нм. Он позволяет использовать недорогие малогабаритные устройства ИК связи. Такое устройство состоит из генератора тока через ИК светодиод, фотодиода, узла усиления и порогового детектирования сигналов. Информация передается побайтно. В начале каждого байта прибавляется стартовый бит ("0"), а в конце – стоп-бит ("1"); всего выходит 10 бит. Последовательные биты кодируются таким образом: "0" передается ИК импульсом продолжительностью от 1,6 нс до 3/16 периода передачи одного бита; "1" передается отсутствием ИК излучения на указанном интервале времени. Интенсивность излучения в конусе $$\pm$$ 30 $$\deg$$ должна быть 40-50 мВт/стерадиан. Двоичные коды, предназначенные для передачи, в том числе, стартовый и стоп-бит, формирует компьютер. Когда поступает "0", то импульс тока пропускается через светодиод, который излучает при этом импульс ИК света. Когда импульс света попадает на ФД, то в нем формируется соответствующий импульс фототока. Принятый байт передается в компьютер. В программном обеспечении компьютера для своевременного обнаружения ошибок передачи могут предусматриваться периодическая передача и контроль 2-байтной контрольной суммы и другие приемы. Скорость передачи может быть от 2400 бит/с до 4 Мбит/с.

Вариант 6. Для повышения надежности обмена информацией между интеллектуальным сенсором и компьютером можно применять разные меры. Для этого в программном обеспечении компьютера и сенсора могут предусматриваться процедуры подтверждения приема сигналов, дополнительные контрольные биты, позволяющие обнаруживать и исправлять одиночные сбои, периодическая передача и проверка контрольной суммы, повторная передача той же самой информации и другие "хитрости".

Вариант 7. В принципе канал радиосвязи между интеллектуальным сенсором и компьютером может быть реализован на любой частоте. Но сейчас для этого предпочитают использовать сверхвысокочастотную радиосвязь в не лицензируемой полосе частот. Согласно стандарту Bluetooth 1.1, например, связь происходит на частоте около 2,4 ГГц радиосигналами малой мощности на расстояния до 10 м (с усилителем – до 100 м). Ряд фирм промышленно выпускают готовые Bluetooth модули, в которых заложена вся электроника и программное обеспечение, требуемые для установления и поддержания связи. Разработчику интеллектуальных сенсоров нужно просто воспользоваться такими модулями. Следует лишь обратить внимание на то, какие "профили" Bluetooth поддерживает избранный модуль, и есть ли среди них те, которые нужны для "общения" с нужными Вам компьютерами.

Вариант 8. Интеллектуальные сенсоры, работающие в полевых условиях или на выезде в автономном режиме, часто не могут питаться от стационарной электросети. В таких случаях для питания сенсора используют встроенные батарейки или аккумуляторы. Важной характеристикой при этом оказывается удельная энергоёмкость. Лучшими по этому параметру сейчас являются ионно-литиевые полимерные аккумуляторы. Их и рекомендуется применять в портативных автономных сенсорах, когда очень важны габаритномассовые характеристики.