Protokoły i interfejsy cyfrowe Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Protokoły i interfejsy cyfrowe Prawidłowe zarządzanie procesem technologicznym wymaga systemu pomiarowo-sterującego Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe Poziom komunikacyjny Fieldbus Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe Poziom komunikacyjny Fieldbus Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe Komunikacja na poziomie modułów elektronicznych (mikrokontrolerów i układów otoczenia, np. pamięci, sensorów itp.) Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe Połączenie między elementami systemu, przez które przepływa informacja nazywane jest interfejsem. Pojęcie interfejsu nie ogranicza się wyłącznie do fizycznej realizacji połączenia ale obejmuje również zasady wymiany informacji, opisane w dokumentacji standardu komunikacyjnego. Często, zamiennie stosuje się pojęcie magistrali. Wymiana danych między elementami systemu odbywa się przez kanał transmisyjny, rozumiany jako warstwa sprzętowa interfejsu. Jego specyficzne właściwości zależą od fizycznej formy tego medium (np. przewód, światłowód, fale radiowe). Większość standardów komunikacyjnych umożliwia realizację połączenia między więcej niż dwoma punktami systemu – wprowadza się wtedy pojęcie sieci. Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe Połączenie między elementami systemu, przez które przepływa informacja nazywane jest interfejsem. Pojęcie interfejsu nie ogranicza się wyłącznie do fizycznej realizacji połączenia ale obejmuje również zasady wymiany informacji, opisane w dokumentacji standardu komunikacyjnego. Często, zamiennie stosuje się pojęcie magistrali. Wymiana danych między elementami systemu odbywa się przez kanał transmisyjny, rozumiany jako warstwa sprzętowa interfejsu. Jego specyficzne właściwości zależą od fizycznej formy tego medium (np. przewód, światłowód, fale radiowe). Większość standardów komunikacyjnych umożliwia realizację połączenia między więcej niż dwoma punktami systemu – wprowadza się wtedy pojęcie sieci. Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe Połączenie między elementami systemu, przez które przepływa informacja nazywane jest interfejsem. Pojęcie interfejsu nie ogranicza się wyłącznie do fizycznej realizacji połączenia ale obejmuje również zasady wymiany informacji, opisane w dokumentacji standardu komunikacyjnego. Często, zamiennie z interfejsem stosuje się pojęcie magistrali. Wymiana danych między elementami systemu odbywa się przez kanał transmisyjny, rozumiany jako warstwa sprzętowa interfejsu. Jego specyficzne właściwości zależą od fizycznej formy tego medium (np. przewód, światłowód, fale radiowe). Większość standardów komunikacyjnych umożliwia realizację połączenia między więcej niż dwoma punktami systemu – wprowadza się wtedy pojęcie sieci. Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe Połączenie między elementami systemu, przez które przepływa informacja nazywane jest interfejsem. Pojęcie interfejsu nie ogranicza się wyłącznie do fizycznej realizacji połączenia ale obejmuje również zasady wymiany informacji, opisane w dokumentacji standardu komunikacyjnego. Często, zamiennie stosuje się pojęcie magistrali. Wymiana danych między elementami systemu odbywa się przez kanał transmisyjny, rozumiany jako warstwa sprzętowa interfejsu. Jego specyficzne właściwości zależą od fizycznej formy tego medium (np. przewód, światłowód, fale radiowe). Większość standardów komunikacyjnych umożliwia realizację połączenia między więcej niż dwoma punktami systemu – wprowadza się wtedy pojęcie sieci. Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe Połączenie między elementami systemu, przez które przepływa informacja nazywane jest interfejsem. Pojęcie interfejsu nie ogranicza się wyłącznie do fizycznej realizacji połączenia ale obejmuje również zasady wymiany informacji, opisane w dokumentacji standardu komunikacyjnego. Często, zamiennie stosuje się pojęcie magistrali. Wymiana danych między elementami systemu odbywa się przez kanał transmisyjny, rozumiany jako warstwa sprzętowa interfejsu. Jego specyficzne właściwości zależą od fizycznej formy tego medium (np. przewód, światłowód, fale radiowe). Większość standardów komunikacyjnych umożliwia realizację połączenia między więcej niż dwoma punktami systemu – wprowadza się wtedy pojęcie sieci. Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe Podział interfejsów ze względu na typ sygnału będącego nośnikiem informacji Interfejsy analogowe Interfejsy cyfrowe Interfejsy przewodowe Szeregowe magistrale wbudowane w mikrokontrolery Sieci przemysłowe Interfejsy bezprzewodowe Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe Aktualnie interfejsy analogowe mają coraz mniejsze znaczenie. W tej grupie rozróżnia się rozwiązania zapewniające daleki zasięg (nośnik informacji np. częstotliwość sygnału) oraz o małym zasięgu (z reguły sygnał prądowy). W analogowych systemach telemetrycznych dla realizacji zdalnych pomiarów (do 3000m) aktualnie stosowany jest głównie standard prądowy 4-20mA. Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe Szeregowe magistrale wbudowane w mikrokontrolery lub często wykorzystywane w aplikacjach z mikro- kontrolerami: I2C (ang. Inter IC), SMBus (ang. System Management Bus), SPI (ang. Serial Peripheral Interface), Microware, UNI/O (One I/O), UART (RS232, RS422, RS485), USB, 1-Wire, CAN, LIN, Modbus. Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe Interfejsy można podzielić na synchroniczne (oddzielna linia zegara), np. I2C, SPI oraz asynchroniczne, np. CAN W rozwiązaniach synchronicznych zmiana częstotliwości zegara w trakcie transmisji danych nie wpływa na jej jakość Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe Transmisja synchroniczna Zazwyczaj jeden z węzłów pełni funkcje master’a – zarządza transmisją (inicjuje) i generuje zegar Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe W interfejsach asynchronicznych nie występuje linia zegara i w związku z tym powstaje do rozwiązania problem synchronizacji bitowej. Dla zapewnienia w tym przypadku poprawnej transmisji, w węzłach nadawczych i odbiorczych wymagane są stabilne generatory zegarowe (rezonatory kwarcowe, MEMS lub SAW). UART (ang. Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART Transmisja asynchroniczna Brak wspólnego zegara Konieczność uzgodnienia prędkości transmisji Współpracujące węzły muszą korzystać ze stabilnych zegarów – rezonatory lub generatory kwarcowe Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART Format znaku Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART Synchronizacja bitowa znaku Idle waiting for start bit Start bit 1 First data bit etc. Start detected Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART Wyznaczanie bitu parzystości Din[0] Odd/Even# Din[1] Din[2] Din[3] Bit parzystości Din[4] Din[5] Din[6] Sygnał równy ‘0’ w przypadku parzystej liczby jedynek dla bitów Din[0] do Din[7] i ‘1’ gdy liczba nieparzysta’ Din[7] Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART Format znaku Dodawane: Start, Stop, Bit parzystości Usuwane: Start, Stop, Bit parzystości Transmitter + – Receiver Data 1 bajt danych 1 bajt danych Nadajnik Wpisanie równolegle danych Uzupełnienie o bity Startu, Stopu, Parzystości Odbiornik Odbiór znaku na podstawie własnego zegara Usunięcie nadmiarowych bitów (ewentualna kontrola parzystości) Równoległy odczyt danych Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART RS232 Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-232 Standard RS-232 (ang. Recommended Standard) opracowano w 1962 r. w celu ujednolicenia parametrów sygnałów i konstrukcji urządzeń zdolnych do wymiany danych cyfrowych za pomocą sieci telefonicznej Opisuje sposób połączenia urządzenia DTE (ang. Data Terminal Equipment) tj. urządzeń końcowych danych (np. komputer) oraz urządzeń DCE(ang. Data Communication Equipment), czyli urządzeń komunikacji danych (np. modem) Definiuje normy wtyczek i przewodów,  określa nazwy styków złącza oraz przypisane im sygnały a także specyfikację elektryczną obwodów wewnętrznych RS-232 jest magistralą komunikacyjną przeznaczoną do szeregowej transmisji danych RS-232C - najbardziej popularna wersja tego standardu, pozwala na transfer na odległość do 15 m z maksymalną szybkością 20 kb/s Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-232 Sygnały Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-232 Łączenie urządzeń Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-232 Łączenie urządzeń Rysunek a) dotyczy urządzeń DTE i DCE, wymagających pełnego handshakingu. RTS i CTS stanowią jedną parę linii potwierdzeń, a DTR i DSR drugą. Rysunek b) - najprostszy sposób łączenia urządzeń DTE i DCE. Rysunek c) dotyczy urządzeń obu DTE i DTE, wymagających pełnego handshakingu. Skrzyżowanie przewodów par RTS i CTS oraz DTR i DSR. Rysunek d) - najprostszy sposób łączenia dwóch urządzeń DTE. Tryby pracy Simpleks – transmisja w jednym kierunku Półdupleks – transmisja w dwóch kierunkach , na przemian Dupleks – transmisja jednocześnie w dwóch kierunkach Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-232 Łączenie urządzeń Sprzętowa kontrola przepływu danych (sygnały RTS/CTS) Urządzenie, które nie może chwilowo odebrać danych (np. ma pełny bufor odbiorczy) dezaktywuje sygnał CTS, co powoduje zatrzymanie transmisji kolejnych znaków, do czasu ponownego przejścia sygnału CTS w stan aktywny Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-232 Łączenie urządzeń Kabel RS232 Linia telefoniczna Modem Linia telefoniczna Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-232 Łączenie urządzeń Internet Linia telefoniczna Linia telefoniczna Kabel RS232 Server Modem Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-232 Przykład transmisji simpleks Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-232 Parametry elektryczne „1” logiczna - napięcie -3V do -15V „0” logiczne – napięcie +3V do +15V Napięcie na dowolnym styku nie może przekroczyć ±25V Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-232 Układ (podwójny RS232) z separacją galwaniczną Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-232 Parametry elektryczne Napięcie na dowolnym styku nie może przekroczyć ±25V 15 V Stan“ON” Space Logiczne 0 12 V 5 V Strona odbiornika 3 V Obszar niezdefiniowany Strona nadajnika 0 V -3 V -5 V Stan “OFF” Mark Logiczna 1 -12 V -15 V -15V 15V 3V -3V 1 Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-232C Konwerter standardu MAX-232 Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART RS422/RS485 Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485 Transmisja różnicowa: a) dupleks, b) półdupleks Zygmunt Kubiak http://elektronikab2b.pl/

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485 Porównanie RS-422 i RS-485 Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485 Magistrala RS-485 Poziomy sygnałów w standardzie RS-485 Zygmunt Kubiak http://elektronikab2b.pl/

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485  Tłumienie zakłóceń w przemysłowych rozwiązaniach RS-485 Zygmunt Kubiak http://elektronikab2b.pl/

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485  Tłumienie zakłóceń w przemysłowych rozwiązaniach RS-485 (obwód failsafe) Tryb awaryjny (failsafe) oznacza zdolność odbiornika do określenia stanu wyjściowego w przypadku braku sygnału na wejściu - ustalenie potencjału linii magistrali Zygmunt Kubiak http://elektronikab2b.pl/

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485  Kable dla zastosowań przemysłowych RS-485 Zygmunt Kubiak http://elektronikab2b.pl/

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485  Skrętka zapewnia przede wszystkim niewrażliwość na pole magnetyczne Zygmunt Kubiak http://elektronikab2b.pl/

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485  Tłumienie pola magnetycznego w skrętce Zygmunt Kubiak http://elektronikab2b.pl/

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485  Dopuszczalna długość przewodu przy określonej szybkości transmisji Zygmunt Kubiak http://elektronikab2b.pl/

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485  RS-485 z izolacją galwaniczną Zygmunt Kubiak http://elektronikab2b.pl/

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485  RS-485 – metody redukcji różnicy potencjałów w sieciach rozległych Przy dużych odległościach mogą występować duże różnice potencjałów mas, co może spowodować przekroczenie zakresu napięć wejściowych Rozwiązanie a) nie jest zalecane - możliwośćuszkodzenia Rozwiązanie b) nie jest zalecane – pętla prądowa W standardzie RS-485 zalecane jest rozwiązanie c); separacja lokalnego uziemienia poprzez rezystory co redukuje pętlę prądową ale pozostaje wpływ zakłóceń Zygmunt Kubiak http://elektronikab2b.pl/

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485  Moduł RS-485 Zygmunt Kubiak http://elektronikab2b.pl/

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485 Standard RS485 umożliwia podłączenie wielu nadajników i odbiorników, co wynika z możliwości energetycznych nadajnika Sieć RS-485 może być połączona za pomocą 2 lub 4 przewodów Maksymalna długość przewodu może wynosić 1200 metrów RS485 obsługuje 32 nadajniki i 32 odbiorniki (mówimy tu o dwukierunkowej half-duplex wielogałęziowej komunikacji poprzez pojedynczą lub podwójną skrętkę (kabel sygnałowy twisted-pair) Wraz z wprowadzeniem "automatycznych" repetytorów oraz wysoko impedancyjnych nadajników / odbiorników "ograniczenie" to może być zwiększone do setek (a nawet tysięcy) węzłów w sieci Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485 Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485 Transmisja różnicowa RS485 Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485 Łączenie urządzeń RS485 (2 przewodowe) Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485 Konwerter USB - RS485 Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe UART/RS-422/RS-423/RS485 Protokoły RS-423/RS-422/RS-485 definiują jedynie warstwę fizyczną Funkcje warstw opisują inne protokoły wykorzystujące RS-423/RS-422/RS-485, np. Modbus Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB USB (ang. Universal Serial Bus) – uniwersalna magistrala szeregowa We współczesnych komputerach standard USB zastąpił funkcje realizowane wcześniej przez RS-232 Standard opracowany przez firmy Microsoft, Intel, Compaq, IBM i DEC  Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Interfejs USB jest uniwersalny - można go wykorzystać do podłączenia do komputera wielu różnych urządzeń (np.  kamery wideo, aparatu fotograficznego, telefonu komórkowego, modemu, skanera, klawiatury, przenośnej pamięci) Podłączane urządzenia mogą być automatycznie wykrywane i rozpoznawane przez system – zdolność ze standardem Plug and Play Magistrala USB wymaga obecności jednego kontrolera magistrali, którego rolę pełni host - uniemożliwia to wykonanie bezpośredniego połączenia dwóch komputerów jak również bezpośredniego połączenia ze sobą urządzeń peryferyjnych Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Architektura USB składa się z serwera (hosta), wielu portów USB oraz urządzeń do nich podłączonych Host USB może zarządzać wieloma kontrolerami, a każdy kontroler może udostępniać jeden lub więcej portów USB. Urządzenia można łączyć ze sobą tworząc sieć o topologii drzewa wykorzystując do tego koncentratory USB. Maksymalnie pięciopoziomowa strukturę drzewiasta. W całej sieci można podłączyć do 127 urządzeń USB - ograniczeniem jest pobór mocy Urządzenie komunikuje się z kontrolerem przy wykorzystaniu kanałów logicznych, których może być do 32, przy czym 16 z nich jest wejściowych i 16 wyjściowych (dwa kanały są zarezerwowane – tzn. dostępnych jest 30 kanałów logicznych na każde urządzenie USB) Ponadto w jednej sieci mogą pracować urządzenia o różnych szybkościach transmisji. Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Topologia USB Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Rozwój standardu USB 1.1 (1998) – prędkość transmisji: (Full Speed) 12 Mbit/s (1,5 MB/s) i (Low Speed) 1,5 Mbit/s (0,1875 MB/s) USB 2.0 (2000) - (Hi-Speed) maksymalna prędkość transmisji 480 Mbit/s (60 MB/s). Rzeczywista szybkość przesyłu danych zależy od konstrukcji urządzenia: zapis w granicach od 25 do 30 MB/s, a odczyt od 30 do 42 MB/s. Urządzenia w standardzie USB 2.0 są w pełni kompatybilne ze starszymi urządzeniami. USB 3.1 Gen 1 (2008) (SuperSpeed) (wcześniej noszący nazwę USB 3.0). Urządzenia zgodne z warunkami nowej specyfikacji mogą pracować z szybkością 5 Gbit/s. Nowy standard oprócz standardowych przewodów (dla kompatybilności w dół z USB 2.0 i 1.1) do szybkich transferów wykorzystuje dwie dodatkowe, ekranowane pary przewodów w full-dupleksie. USB 3.1 Gen 2 (SuperSpeed+) Standard ogłoszony 31 lipca 2013. Do powszechnego użytku wszedł w 2015 roku. Prędkość maksymalna to 10 Gbit/s, a moc może wynosić 100 W. Standard 3.1 jest kompatybilny wstecz Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Rozwój standardu USB 3.1 Gen 1 (2008) (SuperSpeed) (wcześniej noszący nazwę USB 3.0). Urządzenia zgodne z warunkami nowej specyfikacji mogą pracować z szybkością 5 Gbit/s. Nowy standard oprócz standardowych przewodów (dla kompatybilności w dół z USB 2.0 i 1.1) do szybkich transferów wykorzystuje dwie dodatkowe, ekranowane pary przewodów do transmisji w full-dupleksie. USB Typ C 1.0 (2014), Typ C 1.1 (2015). Wymiary złącza to 8,3 na 2,5 mm. Nie należy łączyć do hosta z gniazdem A urządzenia zaprojektowanego dla złącza C. Nie jest to standard "3.1„. Inną wersją złącza USB jest USB Power Delivery. Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Typy złączy Wtyczka USB typu A Wtyczka USB typu B Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Typy złączy Wtyczka USB typu A Wtyczka USB typu B Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Typy złączy Wtyczka USB typu A Wtyczka USB typu B Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Typy złączy Złącza USB Mini Złącza USB Micro Złącze USB Typu C Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Transmisja odbywa się przy wykorzystaniu dwóch przewodów (zielonego Data+ i białego Data-). Magistrala  Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Okablowanie złączy Przewód Numer Sygnał Opis czerwony 1 VBUS zasilanie +5V (maks. 0,9A) biały 2 D- transmisja danych Data- zielony 3 D+ transmisja danych Data+ czarny 4 (5 w micro i mini USB) GND masa fioletowy 5 SSRX- odbiór danych USB 3.0 pomarańczowy 6 SSRX+ 7 GND DRAIN masa USB 3.0 żółty 8 SSTX- nadawanie danych USB 3.0 niebieski 9 SSTX+ Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Kabel USB 1.x i 2.0 Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Kabel USB 3.0 Para sygnałów UTP Filtr, opcja Para sygnałów SDP Oplot Zasilanie Osłona Para sygnałów SDP Masa Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Parametry zasilania Zygmunt Kubiak

Protokoły i interfejsy cyfrowe USB Parametry zasilania Zygmunt Kubiak

Dziękuję za uwagę Zygmunt Kubiak

Dziękuję Zygmunt Kubiak 09-2006