MODULÁRAMKÖRÖK VEZETÉKES KOMMUNIKÁCIÓJA STUBÁN NORBERT ADJUNKTUS stubi@ett.bme.hu Utoljára módosítva: 2008.12.11. 1

Moduláramkörök vezetékes kommunikációja AZ ELŐADÁS FELÉPÍTÉSE Párhuzamos kommunikáció Párhuzamos port a PC-n PATA csatoló Soros kommunikáció (aszinkron) RS-232 RS-422 RS-485 Szinkron átvitel I2C USB USB On The Go Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

PÁRHUZAMOS KOMMUNIKÁCIÓ A PC PÁRHUZAMOS PORTJA (LTP PORT) 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

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, 5MB, 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, 5V 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

Moduláramkörök vezetékes kommunikációja SOROS KOMMUNIKÁCIÓ A SATA CSATOLÓ 2003: SATA (Serial Advanced Data 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 6Gb/s: 2008 aug: fizikai réteg specifikációjának jóváhagyása Nincs ilyen gyors HDD  SSD-hez kell 1m max kábelhossz 600 MBps valójában eSATA: külső meghajtóhoz robosztusabb SATA adat kábel Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

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

Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 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

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 (0-5V), de az RS-232 -10..+10V Megoldás: feszültségszint illesztő hardver: MAX232 Charge pump: 5V  ±8.5V Áthidalható távolság kb 15m Kapacitás limitált Alacsony kapacitású kábellel: 300m E felett más protokoll szükséges! MAX232 Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

SOROS ASSZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ UART és RS-232 vonal Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

SOROS ASSZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ RS-422 SZABVÁNY EIA-422 szabvány Maximális távolság: 1200m @100kbps Maximális sebesség: 10Mbaud @12m Differenciális jel (5V) 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 Baud vs Bps A differenciális átvitel lényegét lerajzolni Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

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

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

SOROS ASSZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ RS-485 SZABVÁNY Max. távolság: 1200m Max. sebesség: 35Mbps @10m 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

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

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

SOROS ASSZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ RS-232, RS-422, RS-485 SZABVÁNYOK PARAMÉTEREI   RS232 RS422 RS485 Differenciális nem igen A meghajtók max száma 1 32 A vevők max száma 10 Működés half/full duplex half duplex Hálózat topológia point-to-point multidrop multipoint Max távolság 15 m 1200 m Max sebességszabvány szerint 20 kbs 10 Mbs 35 Mbs Max sebesség @1200 m (1 kbs) 100 kbs Vevő bemeneti impedanciája 3..7 kΩ ≧ 4 kΩ ≧ 12 kΩ Vevő érzékenysége ±3 V ±200 mV Vevő bemeneti tartomány ±15 V ±10 V –7..12 V Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

Moduláramkörök vezetékes kommunikációja 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: I2C, SPI Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

SOROS SZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ I2C 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 SDRAM modulokon. A memória modulban van egy kis NVRAM (256 bájt) a modul jellemzőivel: időzítési parméterek (CAS latency), gyártó, sorozatszám, stb. Ezt I2C-n keresztül olvassa ki a BIOS minden bootoláskor Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

SOROS SZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ I2C BUSZ Alapjai ’80-as évek elejéről származnak 1992-ben szabványosította a Philips. 1998: v2.0 high-speed mode 3.4Mbps, 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

SOROS SZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ I2C 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

SOROS SZINKRON KOMMUNIKÁCIÓ I2C 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

SOROS KOMMUNIKÁCIÓ – USB USB Universal Serial Bus Az USB a leggyakrabban használt átviteli szabvány www.usb.org Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

SOROS KOMMUNIKÁCIÓ – USB USB eszköz állapotok A: Host vagy Master Perifériák fognak csatlakozni az Host-omhoz Vezérli a buszt és az adatforgalmat Észreveszi, ha periféria csatlakozik B: Device vagy Slave Az én eszközöm 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

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  30m Pin Név Szín Mgj. 1 VCC Piros +5V 2 D− Fehér Data − 3 D+ Zöld Data + 4 GND Fekete -FS nem nagyon létezik. Mi lehet az oka? (rajzolini: PCI busz: 33MHz, 32 bit  1056Mbps a max elérhető BW, ebből felét az USB használná. A többi perifériára mi maradna?) Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

SOROS KOMMUNIKÁCIÓ – USB Tápellátás Low power devices „B”: max. 100mA-t fogyaszt „A”: max. 100mA-t szolgáltat portonként Tápfeszültség: 4.4-5.25V Példa low power host eszközre: Bus powered HUB 4 „A” porttal High power device „B”: >100mA-t eszik, Tápfeszültség: ≥4.4V „A”: 500mA-t szolgáltat a porton, tápfeszültség: 4.75V -5.25V Back Voltage Test B eszköz sosem szolgáltathat áramot A Host megméri a csatlakoztatott busz összes vezetékének a feszültségét Árammérés Jelzi, ha túl nagy az áram 1 másodpercig mér, és átlagol  tüskékkel szemben ellenálló Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

SOROS KOMMUNIKÁCIÓ – USB Túláram védelem 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

SOROS KOMMUNIKÁCIÓ – USB USB OTG : On The Go USB 2.0 a kiinduló pont 2001 december: USB OTG v1.0 Azóta v1.2 Full Speed Host támogatás Korlátozott Host képességek Egyetlen egy fajta miniAB aljzat Mini csatlakozók és kábelek Protokol kiegészítések: SRP Session Request Protocol (Energia managementre használják) HNP: Host negotiation protokol (A Host és Periféria státusz a kapcsolat közben felcserélhető) HUB támogatás Remote wake-up -FS nem nagyon létezik. Mi lehet az oka? (rajzolini: PCI busz: 33MHz, 32 bit  1056Mbps a max elérhető BW, ebből felét az USB használná. A többi perifériára mi maradna?) 5 pólusú OTG csatlakozók aljzat ugyan az Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

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: PDA és Mobil telefon között Mobil telefon és Mobil telefon között Digitális kamera és nyomtató között USB OTG kábel vezetékei Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

SOROS KOMMUNIKÁCIÓ – USB USB OTG réteg szerkezete Moduláramkörök vezetékes kommunikációja

SOROS KOMMUNIKÁCIÓ – USB USB kapcsolat PC és mikrokontroller között Nem szükséges a protokol ismerete Célhardver minden feladatot elvégez (például FTDI: FT232R) Kívülről RS-232-nek látszik mind a PC mind a kontroller oldalon Bővebben, driverek: www.ftdichip.com USB illesztése PIC mikrokontrollerhez Moduláramkörök vezetékes kommunikációja