interfaces de hardware

Uma interface (interação) é a conexão entre componentes e participantes em um sistema microprocessado.

V sistema de microprocessador inclui: hardware, software e pessoas... Assim, distinguem-se os seguintes tipos de interfaces:

• interface de hardware;

• interface de software;

• interface de usuário.

Interface de programação fornecida pelo sistema operacional (se houver). As interfaces de usuário mais comuns são uma interface gráfica (por exemplo, uma área de trabalho de computador com ícones ou botões de comando no editor do Microsoft Office Word) e uma interface de joystick, onde selecionamos o comando que precisamos navegando pelos menus (por exemplo, telefones celulares , controladores programáveis), que também é um tipo de GUI.

Uma interface de hardware é um sistema de barramentos, conectores, dispositivos correspondentes, algoritmos e protocolos que fornecem comunicação entre todas as partes de um sistema de microprocessador. O desempenho e a confiabilidade do sistema dependem das características da interface.

Em sistemas microprocessados ​​embarcados, a interface de hardware é fornecida pelos controladores de descarregamento da CPU.Controlador É um microcircuito especializado projetado para realizar funções de monitoramento e controle. O controlador gerencia o funcionamento do dispositivo, por exemplo, disco rígido, memória de acesso aleatório, teclado e garante a conexão deste dispositivo com outros participantes do MS.

Os pneus são controlados por pontes... No MS complexo, por exemplo, como um computador pessoal, o lugar central é ocupado pelo «ChipSet» (ChipSet) - um conjunto de pontes e controladores. O chipset contém dois chips principais, tradicionalmente chamados de ponte sul e ponte norte (Figura 1). A ponte norte atende ao barramento do sistema, barramento de memória, AGP (porta gráfica acelerada) e é o controlador principal do computador. A ponte sul lida com o trabalho com dispositivos externos (barramento PCI — barramento I/O para conectar dispositivos periféricos).

Figura 1 — Organizações de troca de dados em computadores pessoais (PCs)

A organização da interação entre o processador e os dispositivos externos é a mais difícil, devido à sua grande variedade.

As interfaces paralelas são caracterizadas pelo fato de usarem linhas de sinal separadas para transmitir bits e os bits serem transmitidos simultaneamente. A interface paralela clássica é uma porta LPT.

Uma interface serial de transmissão de dados usa uma única linha de sinal através da qual os bits de informação são transmitidos sequencialmente um após o outro.

A interface serial mais simples, que se difundiu tanto em computadores quanto em sistemas industriais, é o padrão RS-232, implementado por COM — portas... Na automação industrial, é amplamente utilizado o RS-485.

Um barramento USB (Universal Serial Bus) conecta uma ampla variedade de dispositivos periféricos ao seu computador, incluindo telefones celulares e eletrônicos de consumo.

A primeira especificação de interface é chamada de USB 1.0, a especificação USB 2.0 é usada atualmente, os dispositivos modernos são conectados à especificação USB 3.0.

O padrão USB 2.0 contém quatro linhas: recepção e transmissão de dados, fonte de alimentação de +5 V e caixa. Além destas, o USB 3.0 acrescenta mais quatro linhas de comunicação (2 para recepção e duas para transmissão) e uma caixa.

O barramento USB tem uma alta largura de banda (USB 2.0 fornece uma taxa máxima de transferência de dados de até 480 Mbps, USB 3.0 — até 5,0 Gbps) e fornece não apenas transferência de dados, mas também fonte de alimentação para dispositivos externos de baixa potência (corrente máxima dispositivo de consumo através das linhas de energia do barramento USB, não deve exceder 500 mA para USB 2.0 e 900 mA para USB 3.0), o que elimina a necessidade de fontes de alimentação externas.

As interfaces sem fio (sem fio) permitem que você se afaste dos cabos de comunicação, o que é especialmente importante para dispositivos de tamanho pequeno, em tamanho e peso comparáveis ​​aos cabos. Usando interfaces sem fio ondas eletromagnéticas infravermelho (IrDA) e faixas de frequência de rádio (Bluetooth, USB sem fio).

Uma interface IrDA infravermelha permite a comunicação sem fio entre dois dispositivos a uma distância de até 1 metro. Comunicação infravermelha - conexão IR (infravermelho) - segura para a saúde, não causa interferência na faixa de radiofrequência e garante a privacidade da transmissão. Os raios infravermelhos não atravessam as paredes, de modo que a área de recepção é limitada a uma área pequena e facilmente controlável.

Bluetooth (blue tooth) é uma interface de rádio de baixa potência (potência do transmissor de apenas cerca de 1 mW) para organizar redes pessoais, fornecendo transmissão de dados em tempo real em distâncias curtas. Cada dispositivo Bluetooth possui um transmissor e receptor de rádio de 2,4 GHz. O alcance da interface de rádio é de cerca de 100 m — para cobrir uma casa padrão.

Wireless USB (USB wireless) — uma interface de rádio de curto alcance com alta largura de banda: 480 Mbps a uma distância de até 3 metros e 110 Mbps a uma distância de até 10 metros. Funciona na faixa de frequência de 3,1 a 10,6 GHz.

Uma interface RS-232 (RS — padrão recomendado) conecta dois dispositivos — um computador e um dispositivo de transferência de dados. A velocidade de transmissão é de 115 Kbps (máximo), a distância de transmissão é de 15 m (máximo), o esquema de conexão é ponto a ponto.

Os sinais desta interface são transmitidos por uma queda de tensão de (3 … 15) V, portanto o comprimento da linha de comunicação RS-232 é, via de regra, limitado a uma distância de vários metros devido à baixa imunidade a ruídos. É mais frequentemente usado em equipamentos industriais, em um computador pessoal é usado para conectar um manipulador do tipo "mouse", um modem. A interface RS-232 geralmente não permite rede, pois conecta apenas 2 dispositivos.

Figura 2 — Conector RS-232 tipo DB9

A interface RS-485 é uma interface serial industrial anti-interferência de alta velocidade amplamente utilizada para transmissão de dados bidirecional. Quase todos os computadores modernos em design industrial, a maioria dos sensores e drives contêm uma ou outra implementação da interface RS-485.

Um par trançado de fios (par trançado) é suficiente para transmissão e recepção de dados.A transmissão de dados é realizada usando sinais diferenciais (o sinal original passa por um fio e sua cópia reversa fica por outro). A diferença de tensão de uma polaridade entre os fios significa lógica, a diferença da outra polaridade significa zero.

Na presença de interferência externa, os taps nos fios adjacentes são os mesmos, e como o sinal é a diferença de potencial nos fios, o nível do sinal permanece inalterado. Isso fornece alta imunidade a ruídos e um comprimento total da linha de comunicação de até 1 km (e mais com o uso de dispositivos especiais - repetidores).

A interface RS-485 permite a troca de dados entre vários dispositivos através de uma linha de comunicação de dois fios no modo half-duplex (a recepção e a transmissão passam por um par de fios separados no tempo). É amplamente utilizado na indústria para criar sistemas de controle de processos.

Ethernet (ether — ether) — tecnologia de transmissão de dados usada na maioria das redes locais de computadores. Esta interface é baseada no padrão IEE 802.3.Enquanto a interface RS-485 pode ser considerada em uma base um-para-muitos, a Ethernet funciona em uma base muitos-para-muitos.

Existem várias opções, dependendo da taxa de bits e do meio de transmissão:

• Ethernet — 10 Mbps

• Ethernet rápida - 100 Mbps

• Gigabit Ethernet — 1 Gbps

• Ethernet de 10 Gigabits

Cabo coaxial, par trançado (baixo custo, alta imunidade a ruído) e cabo óptico (criação de linhas mais longas e canais de comunicação de alta velocidade) são usados ​​como meios de transmissão.

Par trançado (par trançado) — um tipo de cabo de comunicação, é um ou mais pares de fios isolados trançados juntos e cobertos com uma bainha de plástico.

Por exemplo, cabo FTP (par trançado — par trançado com blindagem comum e condutor de cobre para drenar correntes induzidas), 4 pares (sólido), categoria 5e (Figura 3). O cabo destina-se à instalação estacionária em edifícios, estruturas e trabalhos em sistemas de cabos estruturados. Projetado para aplicações operando na faixa de frequência com limite superior de 100 MHz.

Figura 3 — par trançado: 1 — bainha externa, 2 — blindagem, 3 — fio dreno, 4 — filme protetor, 5 — par trançado

No nível físico, o protocolo Ethernet é implementado na forma de placas de rede embutidas em sistemas microprocessados ​​e hubs que conectam os sistemas entre si.

As redes industriais (Profinet, EtherNet / IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) são construídas com base na Ethernet, que competem com sucesso com as redes anteriormente desenvolvidas Profibus, DeviceNet, CANopen, etc.