MODULÁRAMKÖRÖK VEZETÉKES KOMMUNIKÁCIÓJA

Átírás

1 MODULÁRAMKÖRÖK VEZETÉKES KOMMUNIKÁCIÓJA Géczy Attila Utoljára módosítva: (Géczy Attila által, eredeti PPT: Stubán Norbert) BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

2 AZ ELŐADÁS FELÉPÍTÉSE Párhuzamos kommunikáció Párhuzamos port a PC-n PATA csatoló Soros kommunikáció (aszinkron) RS-232 RS-422 RS-485 Szinkron átvitel I 2 C USB USB On The Go Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 2 /30

3 PÁRHUZAMOS KOMMUNIKÁCIÓ A PC PÁRHUZAMOS PORTJA (LTP PORT - Linear Print Terminal) Párhuzamosan több bit egyidejűleg! 1981: IBM bemutatja a PC-t. A párhuzamos port széria tartozék, mint a lassabb soros port alternatívája (150 kbps vs. 20 kbps) 1994: újragondolják, megnövelik a sebességet, szabványosítják: IEEE 1284 (1MBps) 4 control vezeték 5 status vezeték 8 adat vonal 8 GND Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 3 /30

4 PÁRHUZAMOS KOMMUNIKÁCIÓ A PATA CSATOLÓ (IDE/ATA busz) 1986 Western Digital: IDE vagy ATA-1 interfész kifejlesztése az első 5.25 HDD támogatására (ST-506, 5 MB, by Seagate) IDE: Integrated Drive Electronics ATA: Advanced Technology Attachment (ez a korrekt elnevezés) Merevlemezek, CD meghajtók csatolására Max sebesség: 133 MBps = 1 Gbps (ATA133) 40 lábú csatlakozó (ATA66 és felette: +40 GND vezeték) 16 bit adat, 5 V jelszint, nem differenciális jelvezetés 1 Host (alaplapon), 1 vagy 2 eszközhöz csatlakozhat (daisy chain) A SATA felváltotta Napjainkban a párhuzamos kommunikáció visszaszorulóban van Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 4 /30

5 SOROS KOMMUNIKÁCIÓ A SATA CSATOLÓ 2003: SATA (Serial Advanced Technology Attachment) Hot swap 1 cm széles kábel kevesebb hely, jobb légkeringés a házban Differenciális jelátvitel, 500 mv amplitúdó, erős árnyékolás kiváló zavarvédettség 1.5 Gbps, 3 Gbps, 6 Gbps (SATA I, II, rev 3.0) SATA 6 Gb/s: 2008 aug: fizikai réteg specifikációjának jóváhagyása Nincs ilyen gyors HDD SSD-hez kell 1 m max kábelhossz SATA adat kábel 600 MBps valójában, nem 750 MBps (=6Gbps) Diff. Jelátvitel: esata: külső meghajtóhoz robosztusabb - mv, uv amplitúdójú jelek esetében - Zajos környezet esetében - Nagyobb távolságokhoz - Diff. kimenetű forrásoknál Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 5 /30

6 SOROS KOMMUNIKÁCIÓ A SATA CSATOLÓ SATA: Serial Advanced Data Attachment Táp és adat csatalkozók Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 6 /30

7 SOROS KOMMUNIKÁCIÓ RS-232 SZABVÁNY 1969: EIA (Electronics Industries Association) RS-232-C szabvány Előírja: Feszültség szinteket Jelalakot Csatlakozókat és pin hozzárendeléseket Sebességet nem definiál, de max 20 kbps ajánl. Ma 115 kbps az általános. Duplex kapcsolat 2 vezetéken (Tx+Rx+GND) Néha szimplex is elég (pl. postai mérleg, GPS vevő) Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 7 /30

8 Az aszinkron soros kommunikácó Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 8 /30

9 SOROS ASSZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ RS-232 SZABVÁNY Vezérlő hardver: UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) Mai mikrokontrollerekbe integrálva van Párhuzamos adat betöltés, soros adatkiírás az RS-232 interfésznek megfelelő bitekkel, időzítéssel A kimenet TTL (0-5 V), de az RS V feszültség tartományú! Megoldás: feszültségszint illesztő hardver: MAX232 Charge pump: 5 V ±8.5 V Áthidalható távolság kb. 15 m Kapacitás limitált Alacsony kapacitású kábellel: 300 m E felett más protokoll szükséges! MAX232 Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 9 /30

10 SOROS ASSZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ RS-422 SZABVÁNY EIA-422 szabvány Maximális távolság: 1200 kbps Maximális sebesség: 10 m (Baud jel/sec) Differenciális jel (5 V) Multirdrop (1 meghajtó, több vevő) Nagy zaj érzéketlenség Csavart érpáron megy és jön a jel, gyakran árnyékolják is 1 érpárt ír elő a szabvány, de lehet több is Alkalmazás video stúdiókban a kontrol jelek továbbítására Iparban (zajvédettebb) A számítástechnikában egy RS-232 kompatibilis verzióját használta a Machintosh minidin-8-as csatlakozóval, amíg ki nem lett váltva az Intel Universal Serial Bus-ával 1998-ban Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 10 /30

11 SOROS ASSZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ A CSAVART ÉRPÁR Előnyei Nem sugároz (elvileg) Immunitás a zavaró térrel szemben H: külső tér : áram : térerő gradiens Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 11 /30

12 SOROS ASSZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ RS-485 SZABVÁNY RS-422 továbbfejlesztése: EIA-485 szabvány Alkalmazás: kamera vezérlés zártláncú megfigyelő hálózatokban épület informatikai rendszerekben, kártyaolvasók, beléptető rendszerek (nagy vezetékhossz előnyös) SCSI-2 és 3 fizikai rétege Kereskedelmi repülőgépek kis sebességű fedélzeti busza (sok ülés eszközei osztoznak ugyanazon buszon) Több autóipari kommunikációs busz fizikai rétege (Modbus, Profibus) Nagy zajvédettség EM ellenálló iparban is alkalmazzák Színház és diszkó világítástechnikában a DMX és a XLR alapja Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 12 /30

13 SOROS ASSZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ RS-485 SZABVÁNY Max. távolság: 1200 m Max. sebesség: 35 m Half-duplex Multipoint (több meghajtó, több vevő) 32 eszköz kommunikálhat fél-duplexben ugyanazon a csavart érpáron Busz végén lezáró ellenállás impedancia illesztett Csillag és gyűrű topológiák nem ajánlottak a reflexiók miatt, de EIA485 hubok /repeater-ek kaphatóak, ezekkel az Ethernethez hasonló igen nagy hálózatok alakíthatóak ki (ethernetnél nagyobb távolságokkal) Master-Slave elrendezés Alap esetben minden Node nagy impedanciás állapotban van. A Master ragadja magához buszt, ha kommunikálni akar. Más protokollok esetében mindenki adhat bármikor hasonló az Ethernethez ütközések lesznek, amit detektálni kell Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 13 /30

14 SOROS ASSZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ RS-485 SZABVÁNY A szabvány szerint a differenciális vonal 2 vezetékből áll: A ' ' TxD-/RxD- invertáló pin B '+' TxD+/RxD+ nem invertáló pin A szabvány specifikál egy C jelű vonalat is, amely a közös földet reprezentálja B A Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 14 /30

15 Mikrokontroller és PC közti kapcsolat RS-485 interfészen Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 15 /30

16 SOROS ASSZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ RS-232, RS-422, RS-485 SZABVÁNYOK PARAMÉTEREI RS232 RS422 RS485 Differenciális nem igen igen A meghajtók max száma A vevők max száma Működés half/full duplex half duplex half duplex Hálózat topológia point-to-point multidrop multipoint Max távolság 15 m 1200 m 1200 m Max sebesség a szabvány szerint 20 kbs 10 Mbs 35 Mbs Max m (1 kbs) 100 kbs 100 kbs Vevő bemeneti impedanciája 3..7 kω 4 kω 12 kω Vevő érzékenysége ±3 V ±200 mv ±200 mv Vevő bemeneti tartomány ±15 V ±10 V V Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 16 /30

17 SOROS KOMMUNIKÁCIÓ ASZINKRON VS. SZINKRON ÁTVITEL Aszinkron Az átvitt jel önmagát szinkronizálja a jelfolyamba épített többlet információval. Például az RS-232 start és stop bitjei. Példák: RS-232, RS-422, RS-485 Szinkron átvitel Külön órajel gondoskodik a szinkronizációról +1 vezeték szükséges Példák: I 2 C, SPI Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 17 /30

18 SOROS SZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ I 2 C BUSZ Inter IC Bus (Philips) Mai mikrokontrollerek többségébe integrálva van Alkalmazás: Digitális kimenetű szenzorok, (pl, hőmérő, páratartalom mérő, nyomásmérő) illesztésére Memóriák (EEPROM), ADC, DAC, real time clock illesztésére OLED/LCD kontrol PC alaplapi kommunikáció: SMBus (System Management Bus) fizikai rétege (ventilátor sebesség, processzor hőmérséklet, tápfesz értékek stb) SPD (Serial Presence Detect) SDRAM, DDR, DDR2 modulokon. A memória modulban van egy kis NVRAM (256 bájt) a modul jellemzőivel: időzítési parméterek (CAS latency), gyártó, sorozatszám, stb. Ezt I 2 C-n keresztül olvassa ki a BIOS minden bootoláskor Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 18 /30

19 SOROS SZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ I 2 C BUSZ Alapjai 80-as évek elejéről származnak 1992-ben szabványosította a Philips 1998: v2.0 high-speed mode 3.4 Mbps, csökkentett feszültségű és áramú verziók 2000: v2.1 a 2.0 tisztított verziója 2007: v3.0: fast mode plus (Fm+) napjainkban is fejlődő protokoll Nevéből is adódik: áramkörön belül, kis távolságokra Eredetileg akkumulátor kontroll interfésznek fejlesztették ki. Half-duplex, multi master busz 400 pf max vonal kapacitás max eszközök száma, vezeték hossz Minden eszköznek egyedi címe van 3 sebesség: Standard: 100 kbps Fast mode 400 kbps High speed: 3.4 Mbps Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 19 /30

20 SOROS SZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ I 2 C BUSZ 2 jelvezeték + GND SCL: Serial CLock: kétirányú órajel vezeték SDA: Serial DAta: soros adat vonal Más vezeték nem szerepel a szabványban, de kiegészíthető táppal és árnyékolással Acces Bus szabvány Nyugalmi állapotban a vonalak magas szintűek Rp fontos Rs opcionális (ESD védelemre, a hot-swap eszközökhöz) Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 20 /30

21 SOROS SZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ I 2 C BUSZ Multimaster, de egyszere csak 1 aktív Master lehet, ő vezérli a forgalmazást Start és Stop bit (Start: SCL magas szintje mellett SDA lefut) Clock streching (Slave alacsonyan tartja a SCL-t, amíg fel nem dolgozza a kapott adatot Master addig nem küld újra) Legnagyobb előnyei: 2 vezetéket igényel csak hot-swap (perifériák futás közben cserélhetőek) SDA SCL Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 21 /30

22 Az SPI protokoll (Serial Peripherial Int.) Egy SPI órajel alatt egy full duplex bit átvitel zajlik (de nem feltétlenül) A bitek körbe mennek Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 22 /30

23 Az SPI módjai Independent slaves Daisy Chain Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 23 /30

24 SOROS KOMMUNIKÁCIÓ USB USB eszköz állapotok A: Host vagy Master Perifériák fognak csatlakozni hozzám Vezérlem a buszt és az adatforgalmat Észreveszem, ha periféria csatlakozik B: Device vagy Slave Egy Host-hoz fog csatlakozni Nem képes az adatforgalom inicializálására, csak a Host kéréseire válaszolgat Alkalmazás specifikus (Pl. háttértér, kommunikációs eszköz, HID (Human Interface Device), stb.) Valószínűleg speciális (Windows) drive-eket igényel Tápellátás a kábelről (BUS Power), vagy saját forrásból Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 24 /30

25 SOROS KOMMUNIKÁCIÓ USB USB átviteli sebességek LS: Low speed, 1.5 Mbps FS: Full speed, 12 Mbps (1.5 MBps) HS: High speed, 480 Mbps (60 MBps) SS: Super speed, 4.8 Gbps (600 MBps) 2008 augusztusban jelentették be (Intel) Csavart érpár, 90 ohm impedancia Szabvány szerint: max. 5 m, illetve 5 HUB láncban 30 m Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 25 /30

26 SOROS KOMMUNIKÁCIÓ USB Tápellátás Low power devices B : max. 100 ma-t fogyaszt A : max. 100 ma-t szolgáltat portonként Tápfeszültség: V Példa low power host eszközre: Bus powered HUB 4 A porttal High power device B : >100 ma-t fogyaszt, Tápfeszültség: 4.4 V A : 500 ma-t szolgáltat a porton, tápfeszültség: 4.75 V V Back Voltage Test B eszköz sosem szolgáltathat áramot A Host megméri a csatlakoztatott busz összes vezetékének a feszültségét Pin Szín Mgj. 1 Piros +5V 2 Fehér Data 3 Zöld Data + 4 Fekete GND Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 26 /30

27 SOROS KOMMUNIKÁCIÓ USB Fejlett túláram védelem Tartós túláram elleni védelem: 1 másodpercig mér, és átlagol tüskékkel szemben ellenálló Tüske szerű terhelések (tranziens túláram) Eszköz csatlakozáskor puffer kondenzátorok töltődnek Üzem közben tranziens áramlökések Jellegükből adódóan jelentősen meghaladhatják az 500 ma-t Előírások: Az átlagos áramérték nem lehet több 500 ma-nál Tüskeszélesség párszor 10 us tipikusan A tüske töltése nem haladhatja meg az 50 uc-ot Q = C*dU = I*dt Statikus túláram védelem Bekapcsol, ha a tüske minimum 100us@1.5A Jelenti a Host-nak felhasználó által nem lekezelhető hiba reset, reboot Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 27 /30

28 SOROS KOMMUNIKÁCIÓ USB USB OTG : On The Go Mobil eszközökbe korlátozott Host képesség USB 2.0 a kiinduló pont 2001 december: USB OTG v1.0 Azóta v1.2 Full Speed Host támogatás Egyetlen egy fajta miniab aljzat Mini csatlakozók és kábelek Protokol kiegészítések: SRP Session Request Protocol (Energia managementre használják) HNP: Host Negotiation Protocol (A Host és Periféria státusz a kapcsolat közben felcserélhető) HUB támogatás Remote wake-up 5 pólusú OTG csatlakozók aljzat ugyan az Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 28 /30

29 SOROS KOMMUNIKÁCIÓ USB USB OTG : On The Go USB: 4 pin vs. USB-OTG: 5 pin Egy OTG eszköz Host-ként és Perifériaként is üzemelhet Az 4. pin meghatározza, hogy A vagy B típusú-e az eszköz Alkalmazás: Pl. egy tablet az egyetlen USB portjával képes PC-re és egérhez is csatlakozni PDA és Mobil telefon között Mobil telefon és Mobil telefon között Digitális kamera és nyomtató között USB OTG kábel vezetékei Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 29 /30

30 SOROS KOMMUNIKÁCIÓ USB USB kapcsolat PC és mikrokontroller között Nem szükséges a protokol ismerete Célhardver minden feladatot elvégez (például FTDI: FT232RL) Kívülről RS-232-nek látszik mind a PC mind a kontroller oldalon Bővebben, driverek: 1k Green k 3 PIC16F84 RA0 RA1 RA2 RA3 RA4/TOCKI OSC1/CLKIN 100k OSC2/CLKOUT 100p 4 MCLR RB0/INT RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 14 VDD GND USB illesztése PIC mikrokontrollerhez FT223RL 4 VCCIO 20 Vdd TXD USBDM RXD USBDP 8 RTS# nc1 19 CTS# RESET 24 DTR# nc2 27 DSR# OSC1 28 DCD# OSC0 RI# 17 CBUS0 3V3 CBUS1 25 CBUS2 AGND 7 CBUS3 GND 18 CBUS4 GND 21 GND 26 TEST 10u 100n 100n USB Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 30 /30