Элементная база интеллектуальных сенсоров. Часть 2
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.
Рис. 26.7. Некоторые образцы флэш-памяти в виде: а) отдельных кристаллов (чипов); б) отдельного корпуса; в) в миникорпусах; г) флэш-карт памяти; д) переносных флэш-накопителей
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 ( 
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).
Рис. 26.9. Конструкция разъёмов USB, предназначенных: а) для соединения кабеля с компьютером; б) для соединения с периферийным устройством
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 
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 30 
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 [ [ 310 ] ].