Стандарты интерфейса ввода/вывода для внешних устройств

Программная поддержка последовательной коммуникации

Большинство операционных систем предоставляют драйверы устройств для последовательных портов. В системах X86 последовательные порты обычно имеют имя устройства COMx:, где x является номером последовательного порта. В Windows Embedded CE в C/C++ можно открыть порт COM с помощью функции CreateFile, прочитать данные с помощью ReadFile, и записать последовательные данные с помощью WriteFile. Чтобы закрыть последовательный порт, используйте CloseHandle. Скорость передачи, число битов данных, четность и другие параметры можно прочитать и задать с помощью функций GetCommStatus и SetCommStatus. COM1: часто используется для отладочной информации в Windows Embedded CE. Если обе операции последовательной передачи и получения нужны одновременно, обычно используются потоки. Один поток посылает последовательные данные, а другой поток получает последовательные данные. В этих потоках обычно используется специальная функция синхронизации WaitCommEvent.

Интерфейс PS/2 клавиатуры и мыши

Интерфейс Personal System 2 (PS/2) основывается на стандарте, который использовался для мыши и клавиатуры в первом ПК IBM в 1984 г. Многие встроенные компьютерные платы поддерживают использование мыши или клавиатуры с помощью коннектора PS/2 на плате. Сигнальный коннектор PS/2 имеет 6 контактов, включая заземление, питание (5V-VDD), данные PS/2, и линию синхронизации PS/2. Компьютер подает питание в микроконтроллеры мыши и клавиатуры.

Линия последовательных данных PS/2 несколько похожа на сигналы RS-232, но в этом случае тактовый сигнал пересылается между устройством и компьютером для синхронизации, и используются стандартные уровни напряжения логического вентиля. Это делает оборудование менее сложным, но требуется дополнительный сигнальный провод для синхронизации.

Линии синхронизации и данных PS/2 являются открытыми коллекторами выхода и двунаправленными. В системах с мышью и клавиатурой имеется набор линий синхронизации и данных PS/2 для каждого устройства. Линия синхронизации обычно управляется клавиатурой (или мышью), но также может управляться компьютерной системой, когда она захочет остановить передачу данных с клавиатуры. Клавиатура (или мышь) и компьютер могут управлять линией данных. Единственная линия данных передает все данные между двумя устройствами. Клавиатура (или мышь) и компьютер могут обмениваться несколькими командами и сообщениями.

Для кодирования клавиатуры переключатели клавиш организуются в матрицу строк и столбцов. Все строки и столбцы периодически проверяются схемой, называемой кодировщиком клавиатуры. Кодировщик клавиатуры сканирует клавиши с высокой скоростью, чтобы определить изменение состояния любой клавиши. Данные клавиш передаются последовательно в компьютер с клавиатуры, используя так называемый скан-код. Каждая клавиша клавиатуры имеет для идентификации нажатой клавиши уникальный скан-код на основе адреса строки и столбца матрицы переключателей клавиш.

Скан-коды клавиатуры PS/2 состоят из последовательностей кодов "Make" и "Break". Каждый раз при нажатии клавиши посылается код make. Код break посылается, когда клавиша освобождается. Для многих клавиш код break является потоком байтов 0xF0, за которым следует код make для клавиши. При печати распространено удерживание нажатыми нескольких клавиш одновременно, прежде чем освобождается первая клавиша. С помощью кодов make и break, компьютер может решить, была ли нажата клавиша, и что нажато более одной клавиши. Он может также различить, какая клавиша была освобождена. Это также происходит, когда используются клавиши shift или control. Когда нажимается клавиша shift, клавиша '1' должна вернуть значение для символа '!' вместо значения для символа '1'. 8-битные скан-коды передаются последовательно по линиям данных PS/2 с помощью 11-битного формата. Когда оба устройство PS/2 и компьютер не посылают никакие данные, линия данных PS/2 и линия синхронизации PS/2 будут в состоянии High (неактивными).

Рисунок 3.3 показывает передачу одного байта скан-кода клавиатуры, и он состоит из следующих битов:

Во время передачи данных из устройства PS/2 происходит следующее:

На рисунке 3.3 клавиатура посылает скан-код 16 для клавиши "1", и он имеет нулевой бит четности.

Клавиатура PS/2 и мышь PS/2 используют один и тот же протокол синхронной последовательной коммуникации. Внутренне первоначальная мышь содержала шарик, который вращал два колесика с прорезями. Колесики были соединены с двумя оптическими датчиками положения. Два оптических датчика сообщали о движении по осям x и y, подсчитывая импульсы при движении колесиков. Она содержала также две или три кнопки для нажатия, которые могут считываться системой и однокристальным микроконтроллером. После включения питания посылается команда PS/2, приказывающая мыши начать посылать специальные пакеты данных. Встроенная в микроконтроллер программа в мыши затем начинает периодически посылать в компьютер 3-байтные пакеты данных по сигнальным линиям PS/2. Трехбайтные пакеты данных мыши сообщают относительные движения XY и статус кнопок.

Программное обеспечение интерфейса PS/2 клавиатуры и мыши

Операционные системы обычно включают стандартные драйверы устройств клавиатуры и мыши PS/2. Драйвер клавиатуры преобразует последовательности скан-кодов клавиш в символы, а драйвер мыши использует информацию об относительном перемещении, содержащуюся в пакетах данных мыши, для вычисления положения выводимого указателя мыши и для мониторинга статуса кнопок мыши.

В настольной ОС Windows и в Windows Embedded CE, активность ввода клавиатуры и мыши автоматически создают посылаемое событие Windows, которое обрабатывается функцией обратного вызова приложения окна. Приложение обрабатывает сообщения, которые ему посланы. Он не читает непосредственно ввод клавиатуры и мыши.

Интерфейс шины SPI

Шина последовательного периферийного интерфейса (SPI) была создана в 1980-е годы. SPI использовалась для последовательной коммуникации между микропроцессором и его периферийными ИС. SPI имеет следующие четыре сигнальные линии: Serial Clock (SCLK), Chip Enable or Select (CS), Serial Data Input (SDI), Serial Data Output (SDO). Микропроцессор управляет сигнальными линиями CS и SCLK. Подчиненные устройства SPI получают сигналы синхронизации и выбора элемента памяти из микропроцессора. Когда устройство SPI не является выбранным (элементом памяти), его линия выхода SDO будет иметь три состояния (состояние высокого импеданса). Число битов последовательных данных может варьироваться в зависимости от устройства. Оборудование интерфейса SPI содержит сдвиговые регистры. Один сдвиговый регистр используется для отправки данных, а другой сдвиговый регистр используется для получения данных. Все генераторы являются синхронными и используют SCLK.

Несколько устройств SPI могут соединяться в одно двумя способами. При каскадном соединении используется только один сигнал выбора элемента памяти. Микропроцессор выводит SDO. SDO соединяется со входом SDI одного подчиненного устройства. Линия SDO каждого устройства соединяется с линий SDI другого устройства. Последнее устройство снова соединяется с микропроцессором, так что последовательные данные смещаются через один большой сдвиговый регистр. Это упрощает оборудование и хорошо работает в системах, где все устройства всегда сэмплируются или обновляются одновременно. Но если требуются данные только одного устройства, то потребуется смещаться через другие устройства SPI в цепочке, чтобы добраться до его данных.

Во второй конфигурации SPI каждое устройство имеет свой собственный сигнал выбора элемента памяти, и все они функционируют как независимые сдвиговые регистры. Вспомните, что если устройство не выбрано, оно определяет для своего выхода третье состояние. Выходы можно соединить вместе, но только одно устройство в данный момент может быть активировано. Это обеспечивает независимое чтение и запись устройств SPI. Недостатком является то, что требуется больше линий выхода для сигналов выбора элементов памяти. SPI поддерживает также несколько ведущих устройств шины. Скорости генераторов устройств SPI могут изменяться от 30 kHz до 3 MHz. Обычно устройства SPI будут помещать новые данные на своих выходах во время падающего фронта такта, и данные будут поступать внутрь на растущем фронте такта. Внимательно проверяйте техническое описание устройства SPI, так как эта схема иногда различается.

SPI называют также Microwire в ИС компании National Semiconductor. Технические описания устройств SPI компании Motorola часто используют другие названия для сигналов SPI. CS может появиться как SS, SDI как MOSI, и SDO как MISO. Устройства SPI доступны также с несколькими другими уровнями напряжения питания в диапазоне от 2.3 до 5 вольт. SPI использует обычный генератор и стандартные уровни напряжения логики. Это делает аппаратный интерфейс проще, чем последовательное устройство RS-232C, но он также спроектирован для более коротких расстояний, таких как одна монтажная печатная плата (PCB).

Интерфейс шины I2C

Чтобы соединять интегральные схемы на одной монтажной печатной плате также в 1980-е годы появилась шина Inter IC (I2C). Доступен широкий ассортимент ИС и микропроцессоров с интерфейсом I2C, используемым для последовательной передачи данных на другие ИС. Подобно SPI последовательный интерфейс имеет аппаратное преимущество в том, что требует меньше контактов и проводников на монтажной печатной плате, при условии достаточности полосы пропускания.

Шина I2C имеет только два сигнальных провода, SCL и SDA. SCL действует как линия синхронизации, а SDA может действовать как 1-битная последовательная линия данных или как 1-битная последовательная адресная линия. Также требуется, конечно, общая линия заземления. Линии сигналов I2C являются открытыми стоками. В данном случае это означает также, что они управляются только низким сигналом и единственный внешний нагрузочный резистор делает сигнал линии высоким (когда ни одно устройство не делает его низким).

С помощью дополнительных логических вентилей выход с тремя состояниями может моделировать выход со свободным стоком, делая его выходом с тремя состояниями, когда сигнал бита должен становиться высоким.

Устройства I2C являются либо ведущими, либо подчиненными. Подчиненные отвечают на запросы ведущего. Подчиненному устройству I2C присваивается уникальный 7-битный адрес шины I2C. Так как I2C имеет адресную информацию, то протокол этой шины более сложный, чем шины SPI. Вспомните, что SPI использует линии выбора элемента памяти и не имеет адресов.

Когда микропроцессору (контроллеру) необходимо соединиться с устройством I2C (подчиненным), он посылает стартовую последовательность. Чтобы остановить последовательность I2C, микропроцессор посылает стоп-последовательность.

На рисунке 3.5 отметим, что только во время старт-последовательности SDA изменятся из высокого низким при высоком SCL. Отметим также, что только во время стоп-последовательности SDA изменяется из низкого в высокий при высоком SCL. Это позволяет специальной логической схеме обнаружить старт и стоп.

Микропроцессор управляет линиями синхронизации SCL для передачи каждого последовательного бита SDA. Устройства I2C могут управлять низким сигналом SCL для создания ожидания состояния. Типичные скорости передачи лежат в интервале от 100 kHz до 400 kHz.

Проверяйте детали в техническом описании каждого устройства.

Каждая передача адреса и данных содержит всего девять битов. Восемь битов данных с битом подтверждения (ACK), который используется для квитирования. Биты посылаются в порядке от старших к младшим битам, по одному за такт. Используются семь битов адреса, и последний восьмой бит является битом чтения/записи (R/W).

Некоторые технические описания описывают это как восемь адресных битов, где четные адреса используются для чтения, а нечетные адреса для записи, исключая бит R/W.

Подчиненный посылает последний бит подтверждения (ACK) в каждый адрес, и данные пересылаются. Низкое состояние ACK указывает, что подчиненный готов. Когда состояние ACK не будет низким, микропроцессор может послать стоп-последовательность.

Когда микропроцессор хочет послать данные на устройство I2C, он должен выполнить следующие операции I2C, как показано на рисунке 3.5:

Как показано на рисунке 3.5, когда микропроцессор хочет прочитать данные из устройства I2C, он должен выполнить следующие операции шины I2C:

В одном из стандартов I2C можно иметь несколько контроллеров шины с обнаружением коллизий. Требуется арбитраж шины. Коллизия происходит, когда два контроллера управляют шиной одновременно. Схема арбитража шины определяет, какое устройство может управлять шиной.

Некоторые устройства I2C поддерживают более высокую частоту передачи 3.4 MHz, расширенные 10-битные адреса, программируемые адреса, и более низкие напряжения питания. Многие материнские платы ПК используют System Management Bus (SMB) для измерения температуры, скорости вентилятора, и напряжения. Стандарт SMB был разработан компанией Intel в 1995 г. и основывается на I2C. Устройства I2C можно также найти в новых телевизорах, автомобилях и многих других изделиях потребительской электроники.

Оба стандарта SPI и I2C предоставляют прекрасную поддержку для коммуникации с низкоскоростными устройствами на одной PCB. SPI является, возможно, лучшим выбором для приложений, которым требуется передача потоков данных с большей полосой пропускания, которым не требуется адресная информация. Аналого-цифровые (A/D) и цифро-аналоговые (D/A) преобразователи, используемые для непрерывного сэмплирования или вывода аналоговых сигналов, являются, возможно, самыми широко используемыми устройствами SPI. I2C требует адресации, поэтому оборудование является более сложным, но для текущих технологий микросхем VLSI эти дополнительные аппаратные расходы минимальны.

Программная поддержка устройств SPI и I2C

Некоторые микроконтроллеры общего назначения и многие микроконтроллеры USB включают интерфейсы I2C и SPI. Два или три бита на порте GPIO можно также использовать с соответствующим программным драйвером для реализации интерфейса SPI или I2C. Используя биты GPIO процессору необходимо сгенерировать все сигналы, включая синхроимпульсы, переключая биты GPIO на порте В/В, поэтому подход с программной реализацией требует дополнительных усилий процессора.

Аналоговые входы и выходы

Системы, которым требуется аналоговый вход используют аналогово-цифровые (A/D) преобразователи, а системы с аналоговым выходом используют цифро-аналоговые (D/A) преобразователи. Все эти устройства требуют временной задержки во время выполнения операции преобразования и обладают точностью определенного числа битов. Обычно время преобразования находится в диапазоне микросекунд, а точность в диапазоне от 8 до 20 битов. Обычно более быстрые устройства являются более дорогими, а устройства с большим количеством битов точности стоят дороже. Помните, что многие датчики и сигналы в действительности имеют высокие уровни шума и/или ограниченный набор частот, поэтому не каждый сигнал нуждается в большом числе битов точности и самом быстром возможном времени преобразования. Разумный выбор точности и частота дискретизации является важным вопросом проектирования. Частоты сэмплирования также ограничены реакцией системы в реальном времени. Нет ничего необычного в том, чтобы встроенное устройство имело аналоговые сигналы с различными частотами сэмплирования. Кроме микросхем A/D и D/A обычно требуются некоторые схемы согласования аналогового сигнала для буферизации аналоговых сигналов и настройки их уровней напряжения.

Многие микросхемы A/D и D/A для требуемых цифровых линий В/В устройства имеют интерфейсы типа SPI, а некоторые имеют интерфейсы параллельного типа.

Кроме линий данных устройства A/D и D/A имеют обычно сигнал входа для запуска преобразования и сигнал выхода, который указывает, когда преобразование завершается. Эти сигналы обычно используются для битов готовности В/В устройства.

Доступны готовые коммерческие системы сбора данных (COTS) с аналоговыми средствами В/В на подключаемых платах, использующие USB или сетевые интерфейсы. Эти устройства содержат встроенные микросхемы A/D и D/A, соответствующие схемы согласования аналоговых сигналов, и часто доступны с драйверами устройств для основных операционных систем. Устройства Phidget являются одним из таких примеров, для них свободно доступен драйвер CE, и они будут использоваться в лабораторном проекте с eBox 2300.

LCD и 8/8/8 цифро-аналоговый USB модуль В/В, которые будут использоваться в последующих примерах с eBox содержат микросхему A/D MCP3008. Устройство MCP3008, показанное на рисунке 3.6, содержит последовательную аппроксимацию 10-битного A/D конвертора со схемами сэмплирования и удержания, и восьми-канальный мультиплексор входа, который активирует его для чтения восьми внешних аналоговых входов.

Точность MCP3008 определяется на уровне ±1 LSB (0.1%). Коммуникация с устройством осуществляется с помощью простого последовательного интерфейса, который использует протокол SPI. Устройство имеет скорости преобразования до 200К сэмплов в секунду. Оно будет сэмплировать значительно медленнее, когда используется с микроконтроллером USB 1.0 и стандартным драйвером USB в модуле Phidgets (50-125 сэмплов в секунду). Этот модуль содержит также микросхему 16-битного расширителя GPIO MCP23S17 с портом SPI, который в свою очередь соединен с микроконтроллером USB CY7C63823. Отметим, что преобразователь A/D создан в действительности с помощью специального быстрого цифрового счетчика, называемого последовательным регистром аппроксимации, и преобразователя D/A. Значение аналогового выхода конвертора D/A сравнивается с аналоговым входом. Когда два аналоговых значения будут такие же как измерено аналоговым компаратором, десятичное значение в счетчике будет новым значением конвертора A/D.

Универсальная последовательная шина (USB)

Спецификация 1.0 универсальной последовательной шины (USB) 1.0 была выпущена в 1996 г. USB 2.0 является более новым стандартом с более высокой скоростью, которая поддерживает также устройства USB 1.0. Как предполагает название, USB является последовательной шиной, которая была создана для поддержки широкого спектра периферийных устройств. Она передает данные пакетами, аналогично сети, но так как максимальная длина ограничена несколькими футами, то технически она считается внешней шиной, а не сетью.

Кабели USB содержат питание +5V и соединение заземления и два сигнальных провода витой пары (D+,D-). Два сигнальных провода действуют в несимметричном и в дифференциальном режиме (один сигнал вычитается из другого). При этом используется схема кодирования NRZI (без возврата к нулю с инверсией), которая предоставляет данные вместе с полем синхронизации импульсов. Сток источника питания на шину ограничен 500mA.

USB поддерживает три скорости передачи, высокую скорость (только USB 2.0) равную 480Mb/s, полную скорость равную 12Mb/s, и низкую скорость равную 1.5Mb/s. USB управляется хостом и на шине обычно допускается только один хост. Хост отвечает за инициирование всех транзакций и распределение полосы пропускания. С одной шиной USB можно соединить до 127 различных устройств.

Шина USB допускает горячее подключение. Если посмотреть на конец коннектора USB, то можно заметить, что внешние контакты питания и заземления длиннее, чем два внутренних сигнальных контакта. Когда коннектор включается, питание и земля соединяются до соединения сигнальных линий. Если бы сигнальные провода были соединены до установления общего заземления, то это могло бы привести к повреждению устройства.

Устройства USB реализуются обычно с помощью недорогих микроконтроллеров USB, как показано на рисунке 3.7 выше. Кроме микропроцессора общего назначения с памятью ROM и RAM, они содержат дополнительный интерфейс USB, необходимый оборудованию. Специальная встроенная программа в ROM микроконтроллера используется для управления каждым устройством USB. Эти микроконтроллеры стоят только несколько долларов и могут даже быть дешевле, чем кабель и коннекторы, необходимые для некоторых более старых стандартов, таких как кабель параллельного порта принтера.

USB пересылает информацию в пакетах. Существует четыре типа пакетов, пакеты маркеры, пакеты данных, пакеты квитирования, и периодические пакеты начала кадра. Типичная транзакция USB, показанная на рисунке 3.8, состоит из пакета маркера (заголовка, определяющего, что должно последовать), необязательного пакета данных (содержащего полезную нагрузку данных), и пакет квитирования (подтверждение транзакции для обнаружения ошибок и исправления). Используется циклический избыточный код (CRC) для проверки каких-либо ошибок передачи.

Скорости последовательных данных, необходимые для USB, слишком высокие, чтобы дешевый микропроцессор обрабатывал их программным образом. Специальное оборудование для преобразования из последовательного в параллельное представление, называемое процессором последовательного интерфейса (SIE), включается в большинство схем микроконтроллеров USB. SIE содержит логику для управления протоколом на уровне битов и кодирование шины. Микропроцессор затем пересылает байты (а не биты) в SIE с более медленной скоростью данных.

Пакет маркера содержит идентификатор пакета, адрес, и конечную точку. Идентификатор пакета в примере ниже является маркером OUT. Адрес каждого устройства (ADDR) может иметь несколько конечных точек (ENDP). Конечная точка является буфером (обычно 8 байтным), который соединяет оборудование SIE устройства и встроенную программу, выполняющуюся на микропроцессоре в устройстве USB.

Программная поддержка устройств USB

Когда подключается новое устройство USB, используя специальный процесс, называемый перечислением, хост обнаруживает добавление нового устройства и опрашивает подключенное устройство, чтобы определить его ID продукта USB и ID поставщика (PID/VID). Информация PID/VID позволяет хосту найти и загрузить соответствующий драйвер для нового устройства. Хост затем посылает команду задания адреса, чтобы присвоить новому устройству адрес.

Операционные системы обычно включают драйвер для инициализации устройства USB, а затем ищут нужный драйвер специфического устройства USB. Стандартные драйверы обычно поставляются с ОС для устройств памяти, устройств интерфейса с человеком (UID), таких как клавиатура и мышь, и иногда базового последовательного устройства USB. Другие устройства обычно требуют специфического драйвера устройства от производителя. В CE идентификаторы PID/VID устройства USB и информация соответствующего драйвера хранятся в регистре. Доступны программные и аппаратные анализаторы протокола USB, как показано на рисунке 3.9, которые отслеживают и выводят пакеты USB, и будут полезны при разработке новых драйверов USB.

Устройства В/В для аудио сигналов

Многие встроенные устройства имеют теперь средства для аудио. Audio Codec 97 (AC97) является стандартом ПК для кодирования/декодирования аудио, разработанным компанией Intel в 1997 г. Кодек относится к сигналам, которые кодируются/декодируются в аналоговое аудио из цифрового аудио и наоборот. Кодек является на самом деле объединенным конвертором A/D и D/A с микшерами.

AC97 поддерживает скорости данных до 96 kHz в стерео разрешении от 16 до 20 битов. ПК имеют также более новый стандарт HD Audio, но встроенные устройства, такие как eBox 2300 скорее всего будут использовать для аудио более старые и дешевые устройства AC97. Как видно на рисунке 3.10, Ebox 2300 использует для аудио кодек Realtek ALC202 18-bit AC97.

В устройствах Windows Embedded CE с поддержкой аудио доступно большое число функций API для программистов приложений. PlaySound (для файлов *.wav по одному за раз), WaveIn, и WaveOut являются некоторыми из наиболее широко используемых функций API. Вместе с Windows Embedded CE поставляется некоторая версия Windows Media Player и несколько примеров прикладных программ аудио включено вместе с Windows Embedded CE в подкаталоге \SDK\SAMPLES\AUDIO. Для этой ОС определен стандарт API речи, но дополнительное программное обеспечение сторонних поставщиков процессоров речи по прежнему требуется для синтеза речи и распознавания голоса.

Интерфейс с моторами и реле

Для использования цифрового выхода для управления сильноточными устройствами, такими как моторы, реле, сирены, электромагниты, громкоговорители, или светильники, требуется специальная управляющая схема, которая предоставляет дополнительный управляющий ток.

Даже хотя уровни напряжения могут быть совместимыми, типичный контакт цифрового выхода, находящийся в порте В/В обеспечивает только несколько миллиампер тока, но мотору или реле могут требоваться амперы тока. Управление большой индуктивной нагрузкой, такой как мотор или реле, непосредственно из контакта цифровой логической ИС, может легко взорвать внутренний управляющий транзистор в типичной схеме цифрового вывода.

Для моторов и реле доступны специальные управляющие схемы, которые имеют более мощные транзисторы, которые предоставляют больший управляющий ток. Управляющая схема размещается между контактом обычного вывода цифровой логики и сильноточным устройством для обеспечения требуемых более высоких уровней тока. H-мост является полезным устройством, созданным для управления и реверсирования моторов постоянного тока (DC). Схемы H-моста доступны в ИС или небольших предварительно собранных модулях. H-мост содержит четыре больших мощных транзистора. Для одиночного контакта вывода можно добавить небольшую схему, используя отдельный мощный транзистор для управления устройством. Диоды иногда соединяются через нагрузку на индуктивных устройствах, таких как моторы, реле и соленоиды. Когда ток в индуктивной нагрузке отключается, то генерируется пик обратного напряжения (обратный EMF). Диод помогает рассеивать энергию и защищает управляющий транзистор.

Управление скоростью моторов DC с помощью управляющей схемы можно реализовать, изменяя время включения/выключения (рабочий цикл) его цифрового управляющего сигнала. Чтобы избежать прерывистых движений и излишнего шума, управляющий сигнал должен пульсировать с частотой несколько килогерц (значительно выше естественной частоты ответа мотора и редукторов). Многие роботы используют два управляющих мотора по одному для каждого колеса. Скорость мотора даже той же модели существенно варьируется, и синхронизация двух моторов для движения с одинаковой скоростью является трудной задачей без некоторой обратной реакции, такой как кодировщик межосевого угла.

При мгновенном реверсировании моторов DC, генерируются большие обратные напряжения EMF, которые могут создавать избыточный шум в линиях питания. Моторы также потребляют больший ток при первом запуске. В некоторых случаях генерируемый в линиях питания шум может быть достаточно сильным чтобы повредить процессор. Развязывающий конденсатор емкостью 10 -1000 микрофарад между линиями питания рядом с управляющей схемой может помочь отфильтровать шум источника питания, генерируемый при включении и выключении моторов. Обычно параллельно соединяется конденсатор емкостью 0.1 мф, чтобы фильтровать высокочастотный шум, так как диэлектрические материалы в электролитических конденсаторах не работает на высоких частотах (т.е., значение С не будет постоянным для частоты в реальных устройствах). Некоторые системы, чтобы уменьшить шум, добавляют также небольшую программную задержку по времени, когда реверсируют мотор. Мотор сначала выключается на небольшое время (100-500 мсек), прежде чем посылается команда реверсирования.

При управлении механическими системами с вентилями, соленоидами, и реле, может понадобиться добавление гестерезиса, чтобы сократить число циклов включения/выключения. В качестве примера, термостат с гистерезисом, используемый для управления температурой нагревателя, будет отключаться при температуре на пару градусов выше температуры, при которой он включается. Если бы одна и та же температура использовалась для включения/выключения, то он бы постоянно циклически включался и выключался. Время жизни многих механических приводных механизмов оценивается числом циклов, поэтому меньшее количество циклов удлиняет их жизнь. Постоянное циклическое переключение может также в некоторых системах увеличивать шум и уменьшать производительность.

Сетевые интерфейсы CAN и LIN

Controller Area Network (CAN) является последовательной сетью, которая была разработана компаниями Bosch и Mercedes в середине 1980-х гг. для взаимодействия с несколькими контроллерами в автомобиле (www.can.bosch.com). Она может поддерживать скорости данных до 1Мбод и до 110 устройств. Существует два стандарта CAN, ISO 11519 имеет предел в 125 Kбод, а ISO 11898 имеет предел в 1Мбод. CAN широко используется в автомобильной промышленности, и с учетом широкой доступности микросхем поддержки CAN, ее можно также найти сегодня во многих встроенных устройствах.

Это тип шины с несколькими контроллерами с обнаружением конфликтов и арбитражем шины, похожая несколько на Ethernet. Вместо хранения адресной информации сообщения CAN содержат уникальный номер сообщения, и меньшие номера сообщений имеют более высокий приоритет, когда двум контроллерам шина требуется одновременно. Контроллеры Part-A CAN поддерживают 11-битные сообщения, а Part-B поддерживает 11 или 29-битные идентификаторы сообщений. Каждое устройство на шине проверяет номер сообщения и определяет, нужно ли ему читать сообщение с шины.

Кадр сообщения CAN версии 2.0A, показанный на рисунке 3.11, состоит из семи различных битовых полей:

CAN идеально подходит для приложений, которым требуется высокоскоростные передачи с короткой длиной сообщений . Она имеет более высокие скорости данных, лучше защищена от шума, и имеет дополнительное обнаружение ошибок, чем более старые последовательные стандарты, такие как RS-232. Поврежденный узел пытается также изолировать себя от шины. Используется две сигнальные линии, CAN-high и CAN-low. Они действуют в дифференциальном режиме. Провода могут иметь в длину десятки метров при самым высоких скоростях передачи, а концы шины завершаются резистором (обычно 120 ом), чтобы уменьшить отражения.

Интерфейс сети LIN

Существует также более новый более дешевый, использующий меньшее напряжение, и меньшие скорости передачи данных (20Кбод) стандарт последовательной шины, предназначенной для использования в автомобилях на уровнях ниже CAN. Она называется Локальной сетью коммутации (LIN). LIN предназначена для взаимодействия процессора подсистемы с его интеллектуальными датчиками, в то время как CAN используется для соединения подсистем вместе на более высоком уровне. LIN может поддерживаться с помощью стандартного последовательного UART и встроенного программного обеспечения микроконтроллера, или с помощью специальных ИС. LIN (ISO-9141) имеет только 1 контроллер шины, имеющий максимум до 15 подчиненных, использует только 1 сигнальный провод, и не требует кварцевых генераторов в каждом устройстве (www.lin-subbus.org).

Каждый байт данных в кадре, как видно на рисунке 3.12 следует стандартному 10-битному последовательному формату (т. е., старт-бит, восемь битов данных, стоп-бит). Кадр состоит из следующих полей:

Дополнительная информация

Лабораторные упражнения

Многие более новые логические анализаторы и многоканальные осциллографы являются встроенными устройствами, которые имеют встроенное или дополнительное программное обеспечение для декодирования и вывода сигналов шины RS232, SPI, I2C, USB, CAN, или LIN, как показано на рис 3.13(рис 3.13) Tektronix DPO7000 1-4 Channel Oscilloscope является встроенным устройством, которое использует Windows XP. Показанный выше вывод создается дополнительным программным пакетом для осциллографа, который декодирует и выводит сигналы шины SPI. Изображения с разрешения Prodigy Test Solutions (рис 3.14) Tektronix DPO7000 1-4 Channel Oscilloscope является встроенным устройством, которое использует Windows XP. Показанный выше вывод создается дополнительным программным пакетом для осциллографа, который декодирует и выводит сигналы шины I2С. Изображения с разрешения Prodigy Test Solutions

Если у вас есть один из дешевых доступных адаптеров USB/последовательный в I2C/SPI (http://i2cchip.com) или другое устройство с аналогичными возможностями, соедините его с рассматриваемым датчиком I2C. Запустите приложение RealTerm на настольном ПК, пошлите команды датчику, и скопируйте некоторые показатели данных с датчика.

Используя один из программных или аппаратных анализаторов протокола USB, скопируйте некоторые пакеты USB из устройства USB, присоединенного к настольному ПК. Попробуйте объяснить значение пакетов.