Сопряжение ПК с внешними электронными устройствами

В.В. Петрунин - преподаватель Кузнецкого колледжа электронной техники Ю.В. Анохина - преподаватель Кузнецкого колледжа электронной техники

г. Кузнецк Пензенской обл. Кузнецкий колледж электронной техники

Разработка, создание автоматизированных систем (АС) является актуальной задачей. АС позволяет выполнять различные работы на высоком интеллектуальном уровне. Благодаря огромным возможностям персонального компьютера, на базе которого и выполняется АС, можно проводить диагностику радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), ремонт, проверку параметров.

Чтобы персональный компьютер выполнял эти работы, необходимо разработать внешнее электронное устройство для сопряжения (соединения) компьютера с объектом. Электронный блок предназначен для обработки аналоговых сигналов, поступающих с объекта, ввода цифровой информации в ПК, вывода управляющих сигналов из ПК. Измерительные сигналы преобразуются в цифровой код, вводятся в ПК, обрабатываются по определенному алгоритму, сравниваются с эталонными значениями и ПК делает вывод о результатах диагностики, проверки радиоэлектронного прибора. Результаты измерений, выводы ПК о результатах диагностики выводятся на монитор, принтер, исполнительное внешнее устройство.

Работа ПК, управление внешнего электронного блока, ввод и вывод информации, ее обработка происходит в соответствии со специальной программой.

Особенность проектирования любого устройства сопряжения заключается в том, что оно подключается к уже готовой системе - персональному компьютеру. То есть при разработке внешнего устройства надо учитывать возможности ПК, его протоколы обмена, скоростные характеристики, особенности внешних интерфейсов компьютера. Эти параметры и особенности надо знать и максимально использовать.

Главной задачей автоматизированных систем является ввод полученной датчиками, АЦП информации в персональный компьютер. Прежде чем информацию ввести, сигналы необходимо привести к стандартному уровню по временным параметрам, уровню сигналов, разрядности. Понятие интерфейса следующее:

Интерфейс - это совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в системах при условиях, предписанных стандартам и

направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов.

К персональному компьютеру типа JBM PC внешние устройства могут быть подключены несколькими путями, соответствующими разным типам стандартных внешних интерфейсов, средства которых входят в базовую конфигурацию компьютера:

- через системную магистраль или шину, канал (эти термины равнозначны) ISA:

- через параллельный интерфейс Centronics;

- через последовательный интерфейс RS-232С;

- через порт USB.

Выбор ISA в качестве основной системной магистрали объясняется тем, что она является наиболее распространенной. Разъемы (слоты) ISA имеются во всех компьютерах. Каждый из трех указанных методов подключения имеет свои преимущества и недостатки. Выбор одного из них - важнейший шаг в самом начале процесса разработки автоматизированной системы.

системная магистраль ISA - высокая скорость обмена информации, параллельный формат, 8-16 разрядов, возможность подключения нескольких устройств. параллельный интерфейс Centronics - средняя скорость обмена информации (до 100Кбайт/с), параллельный формат, 8-12 разрядов, возможность подключения одного устройства.

последовательный интерфейс RS-232С - низкая скорость обмена информации, последовательный формат, возможность подключения одного устройства. порт USB - высокая скорость обмена информации (до 480Мбит/с), последовательный формат, возможность подключения нескольких устройств.

При выборе интерфейса учитываются их возможности и особенности. Системная магистраль обеспечивает большую скорость обмена, не требуется отдельного источника питания. В то же время одноплатное исполнение ограничивает сложность устройства, а соседство с быстродействующими и мощными цифровыми уздами компьютера приводит к высокому уровню электромагнитных помех и наводок по цепям питания.

Порт USB обладает наивысшей скоростью обмена информации (до 480Мбит/с), возможностью подключения нескольких устройств, но для него необходимы специальные микроконтроллеры, организующие обмен информацией.

Выбор интерфейса Centronics или RS-232С позволяет расположить устройства на большом расстоянии от компьютера. Но при этом достигается гораздо меньшая скорость обмена, а также требуется внешний корпус, дополнительный источник питания. Также через эти интерфейсы можно подключить только одно устройство. Разработанные

устройства в основном используют интерфейса Centronics. Это определяется уровнем входных и выходных сигналов 0 - 5 В (уровень ТТЛ), возможность параллельного ввода -вывода информации, что значительно ускоряет скорость обмена информации.

Двоичная информация с электронного блока поступает на порт ПК. Порты являются частью материнской платы ПК и гальванически связаны с ней. Поэтому опасны ситуации, когда на разъемы порта будут подаваться большие напряжения. Это приведет к выгоранию и выходу из строя ПК, материнской платы, регистров портов. Необходимо защитить ПК от аварийных ситуаций. Защита компьютера может проводиться следующими способами:

1. Оптронная развязка - это идеальная защита от перенапряжений. В оптроне производится гальваническая развязка персонального компьютера и внешнего электронного блока.

2. Установка на каждый провод шины параметрического стабилизатора - защищает от небольших перенапряжений малой мощности. Мощные сигналы выжигают и стабилитроны, и компьютер.

3. Использование в стабилизаторах электронного устройства схемы защиты от превышения напряжения. В этом случае также нет 100% защиты компьютера. Уровень входного сигнала, поступающего на вход порта ПК не должен превышать 5 В.. Если стабилизатор электронного блока выйдет из строя и напряжение питания увеличится, то и уровень входных сигналов также увеличится, что приведет к аварийной ситуации. При срабатывании схемы защиты происходит отключение выходного напряжения блока питания. Электронное устройство отключается и напряжение сигналов, поступающих на порт ПК, находится в допустимой зоне (равно 0). Но эта система не может защитить ПК от замыканий фазы силовой цепи.

Часто бывают случаи, когда необходимо проверить контрольную точку, находящуюся под высоким напряжением. Подключение порта ПК или электронной схемы, связанной с портом невозможно. Для гальванической развязки необходимо применить оптроны, хотя это приводит к незначительному ухудшению характеристик интерфейса.

Какими бы параметрами ни обладал оптрон, в нем всегда используется оптический принцип передачи сигналов без гальванической связи. Источник и приемник оптического излучения размещены в одном корпусе. Для передачи излучения от источника к приемнику используются различные технологии. Особенности этих технологий определяют основные характеристики оптрона, обеспечивая, в частности, необходимый компромисс между степенью изоляции, коэффициентом передачи и быстродействием.

Е

Е

Е

Рис 1 Схема и расположение выводов типового оптрона

В большинстве случаев источником излучения служит светодиод из арсенида галлия, работающий в ближней инфракрасной области спектра. При этом спектр его излучения практически совпадает с областью максимальной спектральной чувствительности кремниевых фотоприемников. В специальных оптронах могут использоваться и другие излучатели такие как миниатюрные лампы накаливания или газоразрядные светоизлучающие приборы, например неоновые. В качестве фотоприемников часто используют фоторезисторы, фотодиоды, фототиристоры, фототранзисторы.

Диагностируемое устройство имеет большое количество контрольных точек, данные которых необходимо ввести в компьютер. В некоторых точках необходимо измерить напряжение и преобразовать ее значение в цифровой код, в других точках определить наличие сигнала и преобразовать в цифровой сигнал: «1»-есть сигнал, «0»-нет сигнала. Ввод большого количества информации одновременно невозможен. Необходимо установить очередность и вводить определенными порциями. С помощью мультиплексоров двоичная информация с контрольных точек радиоэлектронного оборудования по байтам через LPT-порт вводится в ПК, где происходит обработка информации и определяется неисправный блок, узел.

Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в пространстве ввода/вывода. Регистры порта адресуются относительно базового адреса порта, стандартными значениями которого являются ЗВС^ 378h и 278к Порт может использовать линию запроса аппаратного прерывания, обычно IRQ7 или IRQ5. Порт имеет внешнюю 8-битную шину донных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-битную шину управляющих сигналов.

Интерфейс Certronics поддерживается большинством принтеров с параллельным интерфейсом, его отечественным аналогом является интерфейс ИРПР-М.

Порт обеспечивает возможность вырабатывания запроса аппаратного прерывания по

импульсу на входе АСК#. Сигналы порта выводятся на разъем DВ-25S (розетка), установленный непосредственно на плате адаптера (или системной плате) или соединяемый с ней плоским шлейфом. Название и назначение сигналов разъема порта (Таблица 1) соответствуют интерфейсу СеЛгап^.

Стандартный порт имеет три 8-битных регистра, расположенных по соседним адресам в пространстве ввода/вывода, начиная с базового адреса порта (ВА5Е).

Таблица 1 Название и назначение сигналов разъема порта

Контакт DB-25S Провод шлейфа Назначение

I/O* Reg.Bit** Сигнал

1 1 I/O CR: 0\ Strobe#

2 3 I/O DR:0 Data 0

3 5 I/O DR. 1 Data 1

4 7 I/O DR: 2 Data 2

5 9 I/O DR: 3 Data 3

6 11 I/O DR: 4 Data 4

7 13 I/O DR: 5 Data 5

8 15 I/O DR.6 Data 6

9 17 I/O DR: 7 Data 7

10 19 I*** SR: 6 Ack#

11 21 I SR: 7\ Busy

12 23 I SR: 5 PaperEnd

13 25 I SR: 4 Select

14 2 I/O CR: 1\ Auto LF#

15 4 I SR: 3 Error#

16 6 I/O CR: 2 Init#

17 8 I/O CR: 3\ Select In#

18-25 10.12,14,16,18, 20, 22, 24.26 — —

т

Data Register (DR) — регистр данных, адрес = ВА5Е.

Status Register(SR) - регистр состояния, представляющий собой 5-битный порт вводе сигналов состояния принтера (биты SR.4-SR.7), адрес = ВАSЕ+1. Бит SR.7 инвертируется

— низкому уровню сигнала соответствует единичное значение бита в регистре, и

наоборот.

Control Register (CR) — регистр управления, адрес=ВА5Е+2. Как и регистр данных, этот 4-битный порт вывода допускает запись и чтение (биты 0-3), но его выходной буфер обычно имеет тип «открытый коллектор». Это позволяет более корректно использовать линии данного регистра как входные при программировании их в высокий уровень.

В РЭА необходимо измерять и преобразовать из аналоговой формы в цифровую много контрольных точек. Подключать к каждой точке свой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) невыгодно, поэтому используется один АЦП, а сигналы с контрольных точек через аналоговый коммутатор поочередно поступают на его вход и оцифровываются.

Цифровые значения напряжений контрольных точек, сигналов датчиков и преобразователей поочередно подаются на вход ПК. Цифровые сигналы подаются на ПК через мультиплексоры, которые управляются ПК.

Можно выделить три способа ввода информации в ПК.

а. Чтобы не нагружать ПК, работа диагностической платы происходит автономно, вся информация записывается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а ПК при подключении вводит информацию из ОЗУ и обрабатывает ее.

Рисунок 2 Структурная схема АС диагностики телевизора

На рисунке 2 приведена структурная схема АС диагностики телевизора. Контрольные точки телевизора (ТВ) подключаются или к датчикам (Д), которые преобразуют сигналы в двоичный код, или через аналоговый коммутатор (АК) на вход аналого-цифрового

преобразователя (АЦП). АК управляется счетчиком адреса (СА) и поочередно подключает контрольные точки к АЦП. После преобразования в 8-разрядный код сигнал через мультиплексор (М) записывается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). В ОЗУ через мультиплексор М также записываются сигналы датчиков Д.

При подключении персонального компьютера (ПК) к диагностическому разъему и запуске программы происходит передача информации из ОЗУ в ПК через порт принтера (ЬРТ-порт). ПК формирует тактовые импульсы, которые переключают счетчик адреса и поочередно выводят информацию в ПК. Затем в компьютере производится обработка введенной информации, сравнение измеренных значений напряжений в контрольных точках с допусковыми значениями, проверка сигналов с датчиков и вывод на экран монитора сообщения о возможной неисправности телевизора.

б. Ввод информации сразу в ПК, без ОЗУ. Структурная схема АС диагностики телевизора приведена на рисунке 3 . ПК запоминает информацию, обрабатывает, определяя неисправный элемент. Структурная схема и работа аналогична вышеприведенному методу, только отсутствует ОЗУ.

Рисунок 3 Структурная схема диагностической платы

Контрольные точки подключаются к датчикам и через аналоговый коммутатор на вход аналого-цифрового преобразователя. Аналоговый коммутатор управляется счетчиком адреса и поочередно подключает контрольные точки к АЦП. После преобразования сигнал через мультиплексор вводится в персональный компьютер. ПК формирует

тактовые импульсы, которые переключают счетчик адреса и поочередно выводят информацию в ПК.

Рисунок 4 Структурная схема диагностической платы

в. Гибкий алгоритм измерения сигналов. Структурная схема диагностической платы приведена на рисунке 4. ПК производит измерение контрольной точки, обрабатывает данные, и по определенному алгоритму производит измерение следующей точки. Таким образом, измеряются не все контрольные точки, а только необходимые для нахождения неисправного элемента. Контрольные точки радиоэлектронного оборудования подключаются или к датчикам или через аналоговый коммутатор на вход аналогоцифрового преобразователя. Аналоговый коммутатор и мультиплексор управляется регистром, в который ПК записывает адрес проверяемой точки и подключает указанную контрольную точку к АЦП. После преобразования в 8-разрядный код сигналы через мультиплексор поступает в ПК.