Сопряжение компьютера со специальным внешним устройством

Максимов Е. ЮКарамышев А. Н., Наумова И. Ю. СОПРЯЖЕНИЕ КОМПЬЮТЕРА СО СПЕЦИАЛЬНЫМ ВНЕШНИМ УСТРОЙСТВОМ

Задача сопряжения компьютера с уникальным внешним устройством актуальна.

Во-первых, вполне вероятно, что на рынке может просто не оказаться подходящих модулей.

Во-вторых, стандартные устройства сопряжения (УС) очень часто проектируются исходя из их максимальной универсальности (а следовательно, большого объема выпуска), что нередко приводит к их довольно высокой стоимости по сравнению со специализированными устройствами.

В-третьих, разработка новых более совершенных УС способствует научно техническому развитию.

Всю литературу, имеющую отношение к разработке УС, можно разделить на две большие группы. В первой из них описывается устройство процессоров персональных компьютеров и всевозможных микросхем контроллеров, входящих в них. В некоторых из них приводится и описание устройства компьютера в целом, его ремонта и модернизации.

Однако очень редко в такой литературе можно встретить даже краткое описание особенностей системных магистралей компьютеров.

Вторая группа касается в основном проблем организации программного обеспечения для обмена информацией с внешними устройствами. То есть в этой литературе описываются только начальный и конечный этапы решения задачи сопряжения. Однако внутреннее устройство компьютера - это далеко не самое важное из того, что нужно знать разработчику УС. Для него компьютер - "черный ящик", имеющий несколько внешних разъемов, к которым собственно и подключаются УС. И гораздо важнее для разработчика детальное знание особенностей сигналов на этих разъемах, соглашений об обмене информацией по интерфейсам, правил электрического и временного согласования.

Очень важно для разработчика также знать типичные примеры конкретной схемотехнической реализации узлов УС, особенно некоторых наиболее ответственных. Конечно же, разработчик должен уметь составить программу обмена информацией со своим УС, которая бы в наибольшей степени была ориентирована на учет всех особенностей аппаратуры и которая в ряде случаев очень эффективно может взять на себя многие функции этой аппаратуры, снизив стоимость УС.

И еще одна важная часть проблемы разработки УС. Любое новое УС, особенно УС, ориентированное на сопряжение с системной магистралью, может нарушить работу компьютера.

Особенность проектирования любого УС заключается в том, что оно подключается к уже готовой системе (в нашем случае - к персональному компьютеру). То есть разработчик УС должен всегда учитывать возможность того, что его устройство может нарушить работу системы в целом, причем не исключено, что только в одном, редко используемом режиме. Поэтому от разработчика УС требуется повышенное внимание при проектировании, а также аккуратная и тщательная отладка УС. При этом свобода разработчика ограничена особенностями внешних интерфейсов компьютера, которые надо знать и максимально использовать.

Проведем сравнение некоторых способов подключения устройств сопряжения.

К персональному компьютеру, старых годов выпуска, типа IBM PC (так и к компьютерам других типов, имеющих не высокую стоимость) УС могут быть подключены тремя путями, соответствующими трем типам стандартных внешних интерфейсов, средства которых входят в базовую конфигурацию компьютера:

- через системную магистраль или шину ISA - Industrial Standard Architecture);

- через параллельный интерфейс Centronics;

- через последовательный интерфейс RS-232C.

Выбор ISA в качестве основной системной магистрали объясняется тем, что она является наиболее распространенной для не очень мощных компьютеров.

Разъемы (слоты) ISA имеются в компьютерах IBM PC XT, так и в Pentium-компьютерах старого парка выпуска .

Каждый из трех указанных методов подключения имеет свои преимущества и недостатки. Выбор какого-либо одного из них - важнейший шаг в самом начале процесса проектирования УС.

В таблице 1 приведено сравнение этих трех способов подключения по восьми параметрам, которые необходимо учитывать при проектировании и разработке УС.

Таблица 1 - Сравнение методов подключения УС.

Системная магистраль Интерфейс Centronics Интерфейс RS-232C

Скорость обмена Высокая (до 5 Мбайт/с Средняя (до 100 Кбайт/с) Низкая

Длина и тип линии связи с компьютером истроенные УС (линия связи отсутствует) До 2 м, многопровод-ный кабель До 15м, одиночный провод

Допустимая сложность УС От малой до средней Любая Любая

Сложность узлов сопряжения с интерфейсом От малой до средней От малой до средней От средней до высокой

Дополнительный конструктив Не нужен Нужен Нужен

Внешний источник питания Не нужен Нужен Нужен

Формат и разрядность данных Параллельный, 8 или 16 разрядов Параллельный, 8 разрядов Последовательный

Количество УС, подключаемых к компьютеру о « 1 1

Из таблицы видно, что выбор системной магистрали обеспечивает наибольшую скорость обмена, при этом не требуется ни отдельного конструктива (плата УС устанавливается в корпус компьютера), ни дополнительного источника питания (используется тот, который есть в компьютере). В то же время одноплатное исполнение ограничивает сложность УС, а соседство с быстродействующими и мощными цифровыми узлами компьютера приводит к высокому уровню электромагнитных помех и наводок по цепям питания.

Выбор Centronics или RS-232C позволяет расположить УС (причем УС любой сложности) на большом расстоянии от компьютера. Но при этом достигается гораздо меньшая скорость обмена, а также требуется внешний конструктив и дополнительный источник питания, что существенно увеличивает стоимость системы. Немаловажно и то, что через эти интерфейсы можно подключить только одно УС. Что касается сложности узлов со-

пряжения (интерфейсной части УС), то понятно, что обмен в параллельном формате гораздо проще, чем в последовательном.

Анализ порядка обмена, электрических характеристик магистрали ISA, интерфейса Centronics и интерфейса RS-232C показывает, что основными преимуществами использования RS-232C по сравнению с Centronics являются возможность передачи на значительно большие расстояния и гораздо более простой соединительный кабель. В то же время работать с ним несколько сложнее. Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуплексный режим).

При использовании интерфейса RS-232C задача сопряжения объекта обмена информацией с компьютером обычно формулируется следующим образом: требуется обеспечить связь с удаленным контроллером, обслуживающим технологическую или лабораторную установку. Именно этот контроллер играет в данном случае роль УС.

Чаще всего такой контроллер представляет собой микроЭВМ, имеющую собственную магистраль и набор внешних устройств, осуществляющих передачу входных сигналов с разнообразных датчиков (если таковые имеются) и выдачу управляющих воздействий на органы управления (если они присутствуют) . Существенным моментом является наличие в контроллере процессора или микроконтроллера, обрабатывающего информацию, и магистрали, обеспечивающей взаимодействие различных его узлов.

Этапы преобразования сигналов интерфейса RS-232C на пути от компьютера к микропроцессору удаленного контроллера достаточно очевидны и проиллюстрированы рисунке 1.

RS-232C

Удаленный контроллер

Интерфейс “Локальная шина - RS-232C”

1 Блок 2 и

преобра- Преобра- — Шинный

зователей уровня зователь кода <- интерфейс

Шина управления Шина данных Шина адреса

Рисунок 1 - Организация сопряжения через интерфейс RS-232C

Здесь и далее мы считаем, что для сопряжения через RS-232C используется наиболее распространенная простейшая 4-проводная линия связи, изображенная на рисунке 2.

Компьютер Внешнее устройство

Т х й , , Тх й

R х й+_____X______ R х й

RTS -------*

CTS «------1

DSR DCD DTR RI SG FG

f,--- RTS

I--- CTS

З є

DSR

DCD

DTR

RI

SG

FG

Рисунок 2 - Схема 4-х проводной линии связи для RS-232C

Блок преобразователей уровня обеспечивает электрическое согласование уровней сигналов последовательного интерфейса формируемых контроллером, входящим в состав компьютера (±12 В), с уровнями сигналов, присутствующими в микропроцессорной системе.

Блок преобразователя кода переводит последовательное представление информации в параллельное (и наоборот), осуществляя распознавание начала и конца посылки, синхронизацию приема-передачи битов кадра, слежение за наличием ошибок, информирование о готовности к выполнению операций.

Интерфейс шины обеспечивает сопряжение преобразователя кода с локальной магистралью микропроцессорной системы, осуществляя двунаправленную передачу данных в соответствии с алгоритмами и временными соотношениями, принятыми в ней.

Таким образом, даже на этапе постановки задачи использование RS-232C существенно отличается от использования ISA и Centronics.

Разработана программа работы УС, предлагаемого для сопряжения компьютера со специальными внешними устройствами. В нашем случае внешним устройством служит лабораторный макет по исследованию тепловых режимов РЭС.

Схема программы представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема программы работы устройства сопряжения датчиковизмерения температуры с компьюте-

ром.

Датчики температуры - микросхемы LM 335 - установлены на исследуемых радиаторах. Измеряемая температура (в зависимости от задаваемых режимов) передается через спроектированное устройство сопряжения на микросхеме TLC 1549 IP компьютеру.

ЛИТЕРАТУРА

1. Новиков Ю. В. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC / Ю. В.

Новиков, О. А. Калашников, С. Э. Гуляев; под общ. ред. Новикова Ю. В. - М.: ЭКОМ, 2002. - 224 с.

2. Бычков Е. А. Архитектура и интерфейсы персональных компьютеров. - М.: Центр «СКС», 1993. - 152с.