3. Soros, vezetékes adatátviteli módszerek

Az előadások a következő témára: "3. Soros, vezetékes adatátviteli módszerek"— Előadás másolata:

1 3. Soros, vezetékes adatátviteli módszerek
utolsó verzió: 2016.VIII.31.

2 RS-232 Első szabvány: 1962 (modem, teletype, terminal)
Ma: TIA-232-F, 1995

3 RS-232 aszinkron (nincs órajel) pont-pont, külön eszközök között
pl. PC-modem bipoláris NRZ, invertált szintekkel <115,2 kbps 5..9b adat (többnyire csak 8b realizált) paritásbit (nincs, páros, páratlan)

4 RS-232

5 RS-232 Előnyök: Egyszerű megvalósítás hardver-szoftver szinten is (elég RX,TX, GND bekötni, sima NRZ, nincs címzés, hibakezelés stb). Legtöbb mikrokontroller tudja (UART: universal synchronous-asynchronous receiver-transmitter) Hátrányok: Nincs tápfesz (DTR, RTS vezetékből kis áramnál kivehető), nagyméretű csatlakozó (bár nem muszáj használni), nincs hibakezelés, a kézfogás (handshaking) a modemekhez lett kitalálva, a két eszköz nem egyenrangú

6 RS-232 25 ill. 9 tűs D-subminiature csatlakozó

7 RS-232 Összekötés: Egyenes (straight-through) (PC->modem)
Rd->Rd, Td->Td, stb Null-modem (cross-wired) (PC->PC) Rd->Td, Td->Rd, stb

8 RS-232 Ritkán használt funkciók:
Szinkron átvitel (25tűs csatlakozóval) (X.25 WAN) Szoftveres visszahurkolt (loopback) tesztelés (hardveresen mindig lehet…) Signal rate selection Secondary data channel

9 SPI Serial Peripheral Interface Bus De facto standard, Motorola
Szinkron nagysebességű, rövidtávú átvitel, 4 vezeték Adatcsomag méret, protokol nincs meghatározva Mikrokontroller->RAM;ADC;DAC;LCD;szenzorok De facto standard: Ezért többféle megvalósítás létezik (csomag bitmérete, protokol, bitsorrend, stb) Ja és négyféle órajel beállítás van hozzá, hurrá.

10 SPI SCLK: serial clock, master állítja elő
SS: slave select (negált), több slave esetén több ilyen vezeték kell MOSI: master out, slave in MISO: master in, slave out Elnevezés előnye: MOSI->MOSI, MISO->MISO bekötés. Másik elnevezési szokás: SDO->SDI, SDI->SDO SDO: serial data out, stb. Sajnos ez a gyakoribb elnevezés, ilyenkor a master sdo->slave sdi , stb. A mosi-mosi sokkal jobb lenne, de még nem láttam használni 

11 SPI Kommunikáció: Master előállítja órajelet (SCLK), leglassabb eszköz sebességéhez igazodva (1-70MHz gyakori) Lehúzza megfelelő Slave Select-et Full duplex: M->S és S->M egyszerre (pl. shift-registerekkel) Leállít órajel, majd slave select

12 SPI Több szolga Normál sín Daisy-chain (SGPIO, JTAG)
Slave MISO-k tri-state kimenetek!

13 SPI Előnyök: Hátrányok: Full duplex, nagy adatsebesség
Tetszőleges csomagméret, tartalom, protokoll Slave-nek nem kell órajelgenerátor, sem cím Egyszerűbb hardveres megvalósítás (mint pl. I2C); mikrokontrollerek általában ismerik Hátrányok: 4 vezeték (több slave esetén több) Slave nem befolyásolhatja adatfolyamot (flow control, acknowledgement) Egy master Nincs hibajavítás Rövid távolság

14 I2C Inter-Integrated Circuit, Philips/NXP Szinkron, kétvezetékes busz
7 v 10 bites címzés (0:broadcast cím) Multi-master (bárki kezdeményezhet) 10kbps; 100kbps; 400kbps; 1Mbps; 3,4Mbps SPI-hez hasonló felhasználás, csak több eszközhöz lehet csatlakozni Ezen alapszik az SMBus

15 I2C Busz (sín): open-drain kapuk: vagy lehúzza sínt 0-ba, vagy elengedi (nagyimpedanciás állapot); felhúzó ellenállás (pull-up resistor) kell a sínekre

16 I2C Kommunikáció:

17 I2C Arbitration: Minden master figyeli a buszt, akkor ad, ha az szabad. Ha egyszerre kezdenek el adni, akkor az open-drain rendszer miatt az nyer, aki nullát ír az SDA-ra, miközben a másik 1-et. Ha egyező bitet írnak ki, akkor továbblépnek, amíg az egyik nem nyer. (Mivel a címmel kezdik, ez lényegében azt jelenti, hogy az alacsonyabb című slave-nek küldő master nyer.) A módszer előnye, hogy a nyertes fél folytathatja az adást, nem kell előről kezdenie.

18 I2C Clock stretching: Ha a slave az órajelet (SCK) lehúzza nullába, ezzel tud a masternek jelezni, hogy nincs kész a következő adat fogadására. A master nem megy tovább, amíg az órajel vezeték 1-be nem kerül.

19 I2C repeated start condition:
pl. ha először ki akarok küldeni egy parancsot (write), aztán beolvasni az arra érkező választ (read), mielőtt egy másik mester elfoglalná a buszt az írás művelet végén stop helyett repeated start bitet küldök, rögtön utána mehet újra a cím, csak most read bittel

20 I2C Előnyök: Hátrányok:
Címzéses busz/sín rendszer: sok eszköz köthető rá 2 vezeték Bárki lehet master (ha van rá hardvere) Hátrányok: Lassabb, mint SPI; nem minden sebesség támogatott minden rendszerben Gyári slave eszközökön gyakran fix címek vannak, vagy max néhány bitet lehet állítani, így gyakori a címütközés Busz: egy eszköz meghibásodása esetén az egész buszt lehúzhatja

21 Open-collector / tri-state
Open-collector / open drain output Tri-state output

22 CAN Controller Area Network, Bosch 1983
Járművekre kifejlesztett buszrendszer NRZ; differenciális átvitel (általában 4 vezeték, táppal együtt), 120 Ohm lezáró ellenállás mindkét végére Nagyobb távolságra is használható (csökkentett sebességgel) Iparban (gyárvezérlésben) is előfordul Számos származtatott szabvány

23 CAN Átvitel Többféle közegen lehet átvinni, gyakori az árnyékolt csavart érpár (STP), vagy árnyékolatlan (UTP), de lehet rádión, infrán is. Differenciális átvitel: közös módusú elnyomású (zavarvédettség), Vezetékek: adat+, adat-, táp, föld. Gyakran D-Sub 9 csatlakozóval. Data+ és Data- között mindegyik végén 120 Ohm lezáró ellenállás kell. NRZ, 5 bit után bit stuffing.

24 CAN Sebesség és távolság

25 CAN Adat keretezés 12/32b cím; 0..8byte adat, hibajavítás (CRC)

26 CAN Előnyök Járművekben komoly megtakarítás (réz); könnyebb szervízelhetőség Könnyebb új eszközt beilleszteni Nagy távolságra is használható (elvileg akár 5km / 10kbps) CRC hibajavítás Hátrányok Bonyolultabb megvalósítás (hardver-szoftver), külön logikai vezérlő és külön meghajtó áramkör kell hozzá Járművekbe nem is olyan könnyű új (3rd party) eszközt illeszteni a gyakorlatban

27 RS-485 1983-ban jelentette meg az EIA [Electronics Industry Association – Elektronikai Ipari Szövetség] a TIA [Telecommunications Industry Association Telekommunikációs Ipari Szövetség] együttműködésével. Ezért a szabvány teljes neve TIA/EIA-485-A [PN-3498 Project Number], az európai változatának pedig ISO/IEC 8482 lett.

28 Soros aszinkron buszrendszer, master-slave
half duplex 2 vezetékkel; de 4 vezetékkel full duplex lehet Nagyobb távolságokra ill. zajosabb (ipari) környezetben használható 35Mb/s 10m-ig, 100kb/s 1200m-ig Szimmetrikus differenciális átvitel csavart érpáron Nincsen csatlakozó vagy adatformátum meghatározva Üzenetszórásos [multidrop] rendszerű Egy vonal páron több adó, illetve vevő is lehet [32/32, vonalerősítőkkel együtt maximum 127]. Tri-state kimenetekkel csatlakozunk buszra. Hullámimpedancia -> lezáró ellenállásokra figyelni kell; csillag és gyűrű topológia nem javasolt

29 Hálózati bekötés

30 Jelátvitel és logikai állapotok
Az RS-485 rendszeren átvitt jelek logikai állapotai a következők: A-B < -0,3V = MARK = OFF = logikai 1 A-B > +0,3V = SPACE = ON = logikai 0 Az adat az RS-422 és RS-485-ös rendszereknél az „A” és „B” vezetékek közötti relatív feszültségként jelentkezik, így amennyiben VA > VB’ akkor az adat bináris 1, ha viszont VA < VB’ akkor az adat bináris 0.

31 PROFIBUS Az RS-485 átvitelre alapul. Meghatározza a csatlakozókat stb.
Az RS-485 átviteli technológia nagyon egyszerűen kezelhető. A sodrott érpár bekötése nem igényel szaktudást. A busz struktúrája lehetővé teszi állomások hozzáadását és eltávolítását, a rendszer lépésről lépésre történő felállítását a többi állomás zavarása nélkül. A későbbi bővítéseknek nincs hatása a már működő állomásokra. Az átviteli sebesség 9.6 kbit/sec és 12 Mbit/sec között választható meg. A rendszer összeállításakor egy átviteli sebességet kell meghatározni az összes berendezés számára.

32 Hálózati üzemmódok: 2 vezetékes [half-duplex]
A hálózati összeköttetésekben szereplő szabványos ellenállás értékek a következők: Rg = 100 Ω / 0,5W Rt = 120Ω 2 vezetékes összeköttetésű rendszer esetén minden résztvevő minden másik résztvevővel képes adatot cserélni. Egy időben egyszerre csak adatot adni, vagy adatot vételezni képes egy eszköz.

33 Hálózati üzemmódok: 4 vezetékes [full-duplex]
A Master adatjel kimenete össze van kötve az összes Slave adatbemenetével. Továbbá, a Slave-ek adatkimenetei a Master adatbemeneteire vannak kötve. Egy időben egyszerre képesek adatot adni és vételezni is az eszközök, mivel két különálló vonal áll rendelkezésre.

34 Biasing-resistor Abban az esetben, mikor nincs meghajtó a vonalon, illetve annak állapota ismeretlen, továbbá nincs adatforgalom, a vonali feszültség „lebeg”. A lebegő vonalak kifejezetten érzékenyek a különböző zajokra, zavarokra. Amennyiben a vevők „A” és „B” bemenetén a bemeneti jel feszültség szintje kisebb, mint ±200mV, a vevő kimenetén a logikai szint ugyanolyan magas, mint az utolsóként vételezett bit értéke. A megoldás: un. előfeszítő ellenállás alkalmazása a vonalakon. Abban az esetben, ha túl nagy értékű előfeszítő ellenállást választunk, akkor túl nagy lesz a terhelés a hálózatra csatlakoztatott meghajtókon, viszont ha túl kis értékű ellenállást alkalmazunk, akkor a rendszer zavar-érzékeny lesz és adatveszteségek is felléphetnek

35 Az előfeszítő ellenállás bekötése
Az ábra 2 vezetékes üzemmódra vonatkozik, 4 vezetékes üzemmód esetén az előfeszítő ellenállásokat a vevő vonalhoz kell bekötni. Az előfeszítő ellenállások értéke függ a résztvevők számától, illetve a lezáró ellenállás értékétől. Az előfeszítés során kialakuló logikai jelszintek

36 Busz lezáró ellenállás alkalmazása
2 féle módszer: Párhuzamos lezárás Az általában használatos párhuzamos lezárás esetén egy ellenállást kell bekötni párhuzamosan az „A” és „B” adatvonalra, ahol az ellenállás értéke megegyezik az adatátvitelre alkalmazott kábel hullám-impedanciájával. Ez az érték kb.:100Ω-120Ω közé esik és a kábel valódi hullám-impedanciáját veszi alapul, nincs összefüggésben a vonalhosszúsággal. A lezárási mód magas átviteli sebességet és kiváló jelminőséget eredményez.

37 AC lezárás Ez a lezárási mód leginkább alacsony sebességű adatátvitelnél alkalmazandó. A lezáró ellenállással sorba kell kötni egy 1000nF kapacitás értékű kondenzátort. Ennek az a szerepe, hogy az egyenfeszültségű komponenseket kiszűrje a hálózatból, ezáltal nagyobb eséllyel megakadályozható egy eszköz esetén, hogy nagy egyenáramú lökéseket adjon le a hálózatnak, vagy kapjon a hálózat felöl működési, vagy vagyoni károkat okozván.

38 Összefoglaló táblázat az RS-485 tulajdonságairól
Megnevezés Jellemző Működési mód Szimmetrikus Busz jellege Differenciális Átviteli sebesség Lezárás nélkül sodrott érpárok esetén csak <= 1.5 Mbit/sec Baud rate, nem sodrott érpárok esetén <= 200kbit/sec Baud rate, maximálisan 10Mbit/sec Baud rate valósítható meg Adók és vevők maximális száma 32/32, maximum 127 vonalerősítőkkel Adó maximális kimenő feszültsége -7V és +12V között Adó kimeneti jelszint terhelve ±1,5V Adó kimeneti jelszint terheletlenül ±6V Adó kimeneti impedancia 54Ω Maximális kimeneti áram Z állapotban ±100µA Vevő bemeneti feszültség tartomány Vevő bemeneti impedancia ≥12kΩ Maximális kábelhossz 1200m Átviteli közeg Árnyékolt sodrott érpár, vagy telefonkábel, az árnyékolás a környezeti feltételektől [EMC] függően elhagyható Csatlakozók 9 tűs D vagy RJ típusú csatlakozók

39 Összefoglalóként az „RS”-ek jelrátája
Az átviteli ráta / távolság hányadosa jelentősen függ az alkalmazott vezeték minőségétől és a vonali erősítők számától. Megjegyzés: A fenti görbék pusztán csak jellemző értéket jelenítenek meg.

40 Az „RS” szabványok tulajdonságainak összefoglaló táblázata
RS-232 RS-423 RS-422 RS-485 Működési mód asszinkron átvitel szinkron átvitel Meghajtók és vevők száma egy vonalon 1 meghajtó 1 vevő (pont-pont) 1 meghajtó 10 vevő (pont-pont) 32 állomás szegmensenként Adatátvitel módja félduplex, full-duplex Félduplex Adatátvitel p2p multi-drop (broadcast) Multipoint Max. kábelhosszúság 15 m 1200 m Max. adatátvitel 12 m 1200 m 20 kbps (1 kbps) 100 kbps 1 kbps 10 Mbps 100 kbps 35 Mbps 100 kbps Max. jelváltozási sebesség (slew rate) 30 V/μs állítható n.a.

41 RS-232 RS-423 RS-422 RS-485 Vevő bemeneti ellenállás 3..7 kΩ ≧ 4 kΩ
RS-232 RS-423 RS-422 RS-485 Vevő bemeneti ellenállás 3..7 kΩ ≧ 4 kΩ ≧ 12 kΩ Meghajtó terhelés- impedancia ≧ 450 Ω 100 Ω 54 Ω Vevő "holtsáv" ±3 V ±200 mV Vevő feszültségszint ±15 V ±12 V ±10 V –7..12 V Meghajtó kimenő feszültség max. ±25 V ±14 V –9..14 V Meghajtó kimenő feszültség min. (terheléssel) ±5 V ±3.6 V ±2.0 V ±1.5 V Meghajtó kimeneti rövidzárási áram limit 500 mA Vcc vagy Test felé 150 mA Test felé 150 mA tól Test felé 250 mA Vcc felé Vevő hiszterézis 1,15 V 50 mV

42 USB [Universal Serial Bus]
Az Univerzális Soros Busz manapság nagyon elterjedt számítógépes csatlakozó, melynek kidolgozását a vezető számítástechnikai vállalatok [Hewlett-Packard Company, Intel Corporation, LSI Corporation, Microsoft Corporation, NEC Corporation, ST-Ericsson] által alapított USB Implementers Forum, Inc. kezdte 1994-ben. Előnyös tulajdonsága, hogy teljeskörűen Plug and Play, az összes „modern” operációs rendszer támogatja, különböző hardvereken is egyformán megtalálható (PC, laptop, tablet, telefon, egyéb beágyazott rendszerek)

43 A hálózat felépítése

44 Szabványok és csatlakozók
USB-1.0: első szabvány, néhány első generációs Pentium processzoros alaplapon található csak meg. Néhány dolgot hibásan specifikáltak, így gyakorlatilag nem találkozhatunk vele. USB-1.1: ez a gyakorlatban elterjedt első szabvány. USB-2.0: gyakorlati előnye a mini-B csatlakozó és a Hi-Speed bevezetése. USB-3.0: SuperSpeed lehetősége, amihez további 4 jelvezeték átvitele szükséges. Csatlakozók: USB-A, ami a PC-n található. USB-B, ami például a nyomtatókon található. USB-miniB, például régebbi hordozható eszközökön; kártyaolvasón. USB-mikroB, például az új hordozható eszközökön USB-C: PC, laptop

45 További információk Átviteli sebességek – fizikai rétegben:
Low speed: 1,5 Mbps, USB-1.1, USB-2.0, USB-3.0. Full speed: 12 Mbps, USB-1.1, USB-2.0, USB-3.0. Hi speed: 480 Mbps, USB-2.0, USB-3.0. Super speed: 5 Gbps 8b/10b kódolással további 2 érpár felhasználásával, USB-3.0. Átviteli sebességek – valós alkalmazásban: Low speed: max 150 kB/s, USB-1.1, USB-2.0, USB-3.0. Full speed: max 1,2 MB/s, USB-1.1, USB-2.0, USB-3.0. Hi speed: max 48 MB/s, USB-2.0, USB-3.0. Super speed: max 400 MB/s, USB-3.0. Adatátviteli módok: Control Transfers: minden berendezésnek ismernie kell, ezzel a móddal kérdezi le a gazdagép az eszköz paramétereit. Bulk Transfers: fájlátvitel-jellegű adatátvitelre. Interrupt Transfers: megbízható karakteres jellegű adatok továbbítására. Isochronous Transfers: kis késleltetésű átvitel, streaming-jellegű adattovábbításhoz.