Вопрос № 2. Интерфейсы, используемые в измерительных системах.

Системно-приборные интерфейсы объединяют в систему модули-приборы, которые могут работать автономно и для которых характерны, большие функциональные возможности (измерения ряда параметров, различные режимы, работы, программируемость и т. п.). Конструктивные требования к интерфейсам этого типа, как правило, касаются лишь разъемов схем соединений модулей. Логика их функционирования сложная.

Интерфейсы, предназначенные для измерительной техники, иногда сокращенно называют измерительными, подобно тому, как генераторы сигналов для измерений характеристик различных испытуемых объектов называют измерительными. Решая задачу сопряжения, измерительные интерфейсы обеспечивают все перечисленные виды совместимости и взаимодействие процессоров с измерительной и периферийной аппаратурой, предназначенной для сбора, накопления, регистрации и обработки информации.

Стандартные интерфейсы можно классифицировать в зависимости от схемы соединения модулей между собой и с центральным модулем (устройством обработки) системы. Различают три основные схемы соединений:

- каскадную;

- радиальную;

- магистральную.

Каскадная схема применима, когда общий поток информационных сигналов в каждый данный момент времени связывает между собой толькоодин объект исследования, один источник испытательных сигналов и один измерительный прибор.

Радиальная схема характерна для случая, когда к центральному модулю (устройству обработки измерительной информации) необходимо подключить несколько модулей. При этом модули присоединяются непосредственно (без коммутатора), поскольку центральный модуль располагает достаточным числом, каналов для обмена данными.

Магистральная схема используется, когда число каналов у центрального модуля меньше требуемого. Отдельные модули связывают с центральным через общую магистраль с последовательным во времени адресным обращением. При каждом обращении (опросе) к центральному модулю подключается только тот модуль, адрес которого вызывается программой.

Возможны и комбинированные схемы: каскадно-радиальная и каскадно-магистральная. Для соединения функциональных блоков или приборов между собой служат цепи, называемые линиями интерфейса. Группу линий, предназначенных для выполнения определенной функции в программно-управляемом процессе передачи данных, называют шиной.

Назначение отдельных шин и линий, их перечень и взаимное расположение (типология) играют основополагающую роль при рассмотрении работы интерфейса.

Интерфейс разработан для программируемых и непрограммируемых электронных измерительных приборов. Он ориентирован на сопряжение приборов, располагаемых относительно друг друга на расстоянии до 20 м, обеспечивает унификацию конструктивных электрических и функциональных характеристик независимо изготовленных приборов, что создает возможность их сопряжения и организации измерительной системы. Интерфейс позволяет иметь в системе приборы различной сложности, допускает прямой обмен информацией между ними, дистанционное и местное управление приборами.

Описываемый интерфейс относится к магистральным. Соединение устройств между собой осуществляется через многопроводный магистральный канал общего пользования (КОП). Его также называют интерфейсной шиной.

На рис. 12 показана схема интерфейса. Он представляет собой 16-линейную двухнаправленную пассивную систему связи, называемую магистралью, к которой можно подключить параллельно до 15 приборов (в том числе и контроллер). Функционально линии, образующие магистраль, группируются в три шины: данных, согласования передачи и общего управления.

Рис. 12. Схема интерфейса

Конструктивно интерфейс состоит из кабеля, разъемов и печатных плат или БИС. Кабель соединяет все устройства между собой параллельно таким образом, что данные от конкретного устройства могут передаваться либо одному, либо нескольким другим устройствам, входящим в систему. Печатные платы или БИС, с помощью которых производится обмен информацией, называют интерфейсными картами (ИКАР).

Рассмотрим состав и назначение каждой из трех шин.

Шина данных состоит из восьми линий, обозначаемых DI0 с соответствующим номером линии, например DI03, или ЛД (линия данных) – соответственно ЛДЗ. По этим линиям осуществляется обмен информацией бит-параллельным и байт-последовательным способами. Иначе говоря, по восьми линиям передаются данные в форме параллельных битов (рис. 13, а) и последовательных байтов (рис. 13, б). Шина данных служит для передачи (приема) основных данных – результатов измерений, адресных, программных, управляющих данных и данных состояний.

Обмен информацией может происходить между передающими («говорящими») приборами, принимающими («слушающими») приборами или между контроллером и подчиненными приборами. По характеру взаимодействия модулей с шиной они разделяются на четыре группы (рис. 12):

- устройство-контроллер;

- устройство передающее и принимающее;

- устройство толькопередающее;

- устройство только принимающее.

Каждое устройство, имеющееся в составесистемы (измерительный прибор, контроллер, вспомогательный модуль), должно выполнять, по крайней мере, одну из функций: быть «говорящим», «слушающим» или управляющим. Данные от«говорящего» устройства передаются через шину к другим устройствам, например к «слушающему», принимающему информацию «говорящего». Некоторые устройства могут выполнять обе функции, как, например, программируемый мультиметр, который принимает управляющие команды как «слушающий» прибор и передает результаты измерений – данные – как «говорящий». Особенность интерфейсной шины такова, что одновременно могут работать несколько «слушающих» приборов, но только один «говорящий».

Рис. 13. Шина данных интерфейса:

а – данные в форме параллельных битов; б –данные в форме последовательных байтов

Назначение управляющего устройства – контроллера – организация взаимодействия модулей системы. Команды контроллера «указывают» адрес модуля, какой модуль должен передавать данные, кадкой – принимать, а также характер и последовательность выполнения других операций.

Вычислительный контроллер, который строится на основе микропроцессора, выполняет следующие функции: определяет программу измерений, задает согласно ей виды измерений определенным приборам, управляет процедурой измерений, интерпретирует их результаты. В составе измерительной системы, объединяемой интерфейсом, может быть устройство, способное и «говорить», и «слушать», и управлять. Таким устройством является микроЭВМ.

Итак, линии DI0 (1...8) или ЛД (1...8), являющиеся линиями ввода-вывода данных и образующие шину дачных, служат для передачи информации, представляющей собой цифровые данные, адреса модулей и многолинейные универсальные команды.

Шина согласования передачи,которую иначе называют шиной синхронизации, объединяет три линии (рис. 12), обозначаемые DAV или СД (сопровождения данных), NRED или ГП (готов к приему) и NDAC или ДП (данные приняты). Поэтим линиям передаются сигналы согласования, подтверждающие соответствие состояний приборов, что необходимо для обмена информацией, т. е. управления передачей каждого байта информации по шине данных от контроллера или «говорящего» прибора к одному или нескольким «слушающим» приборам. Эти сигналы иногда называют квитирующими (от слова квитанция).

Важной характеристикой интерфейса является вид обмена данными между модулями: синхронный или асинхронный. Синхронный вид обмена позволяет получить высокую скорость обмена, если все модули, объединяемые интерфейсом, имеют примерно одинаковое быстродействие (это условие редко выполнимо).

Интерфейс МЭК рассчитан на асинхронный обмен информацией. Для асинхронного обмена основополагающей является процедура установлений соответствия. Она предполагает управляемую передачу сигналов, подтверждающих взаимное соответствие состояний приборов, участвующих в информационном обмене (метод квитирования).

Возможны два варианта организации указанной процедуры. Сущность первого заключается в следующем: когда завершена подготовка данных для передачи, «говорящий» прибор устанавливает флаг (сигнал готовности данных) и ждет готовности «слушающего» прибора, который должен принять эти данные. При втором варианте первоначально устанавливает флаг «слушающий» прибор, что свидетельствует о его готовности принять сообщение и ожидании готовности «говорящего» прибора к передаче. В интерфейсе МЭК принят второй вариант установления соответствия.

Названия линий, образующих шину согласования передачи, определяются передаваемыми по ним сигналами. Линия DAV (достоверность информации) служит для сигнала, указывающего наличие, и достоверность информации на шине данных или, иначе, для установления флага только «говорящего» прибора. По линии NRED устанавливается флаг готовности к приему информации только «слушающего» прибора; она является общей для всех принимающих приборов. Линия NDAC (информация не принята) предназначена для передачи сигнала-квитанции «слушающих» приборов: наличие низкого уровня напряжения на ней свидетельствует, что самый медленно действующий из «слушающих» приборов еще не принял информацию.

Шина общего управления состоит из пяти линий (рис. 12). По ним передаются управляющие сигналы, которые циркулируют между контроллером и другими приборами, подключенными к интерфейсу. Кратко охарактеризуем функцию каждой линии.

Линия, обозначаемая ATN (внимание) или УП (управление), отведена для команды, посылаемой контроллером. Наличие этой команды (низкий уровень напряжения на линии) определяет, что все остальные устройства переходят в режим ожидания и только контроллер является «говорящим» прибором. При этом по шине данных передаются адреса или универсальные многолинейные команды. Когда на линии устанавливается высокий уровень напряжения, то «говорят» или «слушают» те приборы, адреса которых были переданы за время противоположного состояния линии.

По линии, обозначаемой IFC (очистка интерфейса) или ОИ (очистить интерфейс), передается сигнал контроллера, приводящий схему интерфейса и все приборы в начальное состояние. Эта команда, используемая при запуске интерфейса и устанавливающая низкий уровень напряжения в линии, прекращает передачу информации по шине данных.

Линия, обозначаемая SRQ или ЗО (запрос на обслуживание), является общей для всех приборов и переходит в состояние, характеризуемое низким уровнем напряжения, когда какой-либо из приборов, подключенных к интерфейсу, посылает в контроллер сигнал запроса на обслуживание, т. е. «требует» прерывания текущего обмена в магистрали и приоритетного обслуживания данного прибора контроллером.

Назначение линии, обозначаемой REN (разрешено дистанционное управление) или ДУ (дистанционное управление), – передача контроллером сигналов программного управления приборами. Когда по команде в линии устанавливается низкий уровень напряжения, приборы переключаются с «местного» управления (с лицевой панели) на дистанционное.

Линия, обозначаемая EOI (конец обработки, конец идентификации) или КП (конец передачи), служит для посылки команды, указывающей окончание передачи сообщений по шине данных. Низкий уровень напряжения, устанавливающийся на линии синхронно с передачей последнего байта данных, сигнализирует о том, что данных больше нет. В случае, когда низкий уровень устанавливается контроллером при параллельном опросе, конец передачи интерпретируется как идентификация.

Вывод: стандартные интерфейсы можно классифицировать в зависимости от схемы соединения модулей между собой и с центральным модулем системы. Различают три основные схемы соединений: каскадную; радиальную; магистральную. Интерфейс разработан для программируемых и непрограммируемых электронных измерительных приборов. Соединение устройств между собой осуществляется через многопроводный магистральный канал общего пользования (КОП). Интерфейс представляет собой 16-линейную двухнаправленную пассивную систему связи, называемую магистралью, к которой можно подключить параллельно до 15 приборов (в том числе и контроллер). Функционально линии, образующие магистраль, группируются в три шины: данных, согласования передачи и общего управления. Также в данном вопросе был рассмотрен состав и назначение каждой из трех шин интерфейса.