Adattvitel 3 Soros vezetkes adattviteli mdszerek utols verzi

Adatátvitel 3. Soros, vezetékes adatátviteli módszerek utolsó verzió: 2020. IV. 3.

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

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

RS-232

RS-232 Előnyök: n Egyszerű megvalósítás hardver-szoftver szinten is (elég RX, TX, GND bekötni, sima NRZ, nincs címzés, hibakezelés stb). Legtöbb mikrokontroller tudja (UART: universal synchronous-asynchronous receivertransmitter) Hátrányok: n 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

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

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

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

SPI n Serial Peripheral Interface Bus n De facto standard, Motorola Szinkron nagysebességű, rövidtávú átvitel, 4 vezeték Adatcsomag méret, protokol nincs meghatározva Mikrokontroller->RAM; ADC; DAC; LCD; szenzorok n n n

SPI SCLK: serial clock, master állítja elő n SS: slave select (negált), több slave esetén több ilyen vezeték kell n MOSI: master out, slave in n MISO: master in, slave out Elnevezés előnye: MOSI->MOSI, MISO->MISO bekötés. Másik elnevezési szokás: SDO->SDI, SDI->SDO n

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

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

SPI Előnyök: n n Full duplex, nagy adatsebesség Tetszőleges csomagméret, tartalom, protokoll Slave-nek nem kell órajelgenerátor, sem cím Egyszerűbb hardveres megvalósítás (mint pl. I 2 C); mikrokontrollerek általában ismerik Hátrányok: n n n 4 vezeték (több slave esetén több) Slave nem befolyásolhatja adatfolyamot (flow control, acknowledgement) Egy master Nincs hibajavítás Rövid távolság

I 2 C n n n n Inter-Integrated Circuit, Philips/NXP Szinkron, kétvezetékes busz 7 v 10 bites címzés (0: broadcast cím) Multi-master (bárki kezdeményezhet) 10 kbps; 100 kbps; 400 kbps; 1 Mbps; 3, 4 Mbps SPI-hez hasonló felhasználás, csak több eszközhöz lehet csatlakozni Ezen alapszik az SMBus

I 2 C Busz (sín): open-drain kapuk: vagy lehúzza sínt 0 -ba, vagy elengedi (nagyimpedanciás állapot); felhúzó ellenállás (pull-up resistor) kell a sínekre

I 2 C Kommunikáció:

I 2 C

I 2 C

I 2 C

I 2 C 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.

I 2 C 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.

I 2 C repeated start condition: n pl. ha először ki akarok küldeni egy parancsot (write), aztán beolvasni az arra érkező választ (read), mielőtt egy másik mester elfoglalná a buszt n az írás művelet végén stop helyett repeated start bitet küldök, rögtön utána mehet újra a cím, csak most read bittel n

I 2 C Előnyök: n n n Címzéses busz/sín rendszer: sok eszköz köthető rá 2 vezeték Bárki lehet master (ha van rá hardvere) Hátrányok: n n n 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

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

CAN n n n 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

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.

CAN n Sebesség és távolság

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

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

RS-485 n 1983 -ban jelentette meg az EIA [Electronics Industry Association – Elektronikai Ipari Szövetség] a TIA [Telecommunications Industry Association Telekommunikációs Ipari Szövetség] együttműködésével. n A szabvány teljes (új) neve TIA-485 -A.

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

Hálózati bekötés

Jelátvitel és logikai állapotok Az RS-485 rendszeren átvitt jelek logikai állapotai a következők: n n n A-B < -0, 3 V = MARK = OFF = logikai 1 A-B > +0, 3 V = 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.

PROFIBUS n Az RS-485 átvitelre alapul. Meghatározza a csatlakozókat stb. n 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. n 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.

Hálózati üzemmódok: 2 vezetékes [half-duplex] A hálózati összeköttetésekben szereplő szabványos ellenállás értékek a következők: Rg = 100 Ω / 0, 5 W Rt = 120Ω n n 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.

Hálózati üzemmódok: n n 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.

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

Összefoglalóként az „RS”-ek jelrátája n 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.

Az „RS” szabványok tulajdonságainak összefoglaló táblázata RS-232 RS-423 RS-422 RS-485 Működési mód asszinkron átvitel Meghajtók és vevők száma egy vonalon 1 meghajtó 1 vevő (pontpont) 1 meghajtó 10 vevő (pont) 32 állomás szegmensenként Adatátvitel módja félduplex, full-duplex Félduplex Adatátvitel p 2 p multi-drop (broadcast) Multipoint Max. kábelhosszúság 15 m 1200 m 20 kbps (1 kbps) 100 kbps 10 Mbps 100 kbps 35 Mbps 100 kbps 30 V/μs állítható n. a. Max. adatátvitel 12 m 1200 m Max. jelváltozási sebesség (slew rate)

RS-232 RS-423 RS-422 RS-485 Vevő bemeneti ellenállás 3. . 7 kΩ ≧ 4 kΩ ≧ 12 kΩ Meghajtó terhelésimpedancia 3. . 7 kΩ ≧ 450 Ω 100 Ω 54 Ω Vevő "holtsáv" ± 3 V ± 200 m. V Vevő feszültségszint ± 15 V ± 12 V ± 10 V – 7. . 12 V Meghajtó kimenő feszültség max. ± 25 V ± 14 V ± 12 V – 9. . 14 V Meghajtó kimenő feszültség min. (terheléssel) ± 5 V ± 3. 6 V ± 2. 0 V ± 1. 5 V 150 m. A Test felé 150 m. A tól Test felé 250 m. A Vcc felé 50 m. V Meghajtó kimeneti rövidzárási áram limit Vevő hiszterézis 500 m. A Vcc vagy Test felé 1, 15 V

USB [Universal Serial Bus] n n n n Elsősorban személyi számítógépek külső perifériáinak bekötésére fejlesztették (PC, tablet, mobiltelefon, beágyazott rendszerek. . . ) Emiatt fontos része a tápellátás (5 V) és a szabványos csatlakozók. 1994 -96 között fejlesztette első változatát egy vállalatcsoport (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Nortel) "Plug and play": menet közben csatlakoztatható, nem igényel újraindítást (elvileg) PC-kben átvette az UART-RS 232, PS/2, párhuzamos port szerepét. Felhasználóbarát, de nem feltétlen fejlesztőbarát. Iparban kevésbé elterjedt (ahol a sebesség kevésbé számít, mint a könnyű és olcsó fejlesztés vagy megbízhatóság) Korlátozott kábelhossz (tip. 3. . 5 m)

A hálózat felépítése Egy mester (host), több port a szolgáknak (client, device), akár több szinten (tiered star topológia). Hub-okkal lehet még több portot csinálni.

Szabványok és csatlakozók Szabványok: n USB-1. 0: első szabvány, néhány első generációs Pentium processzoros alaplapon található csak meg. Néhány dolgot hibásan specifikáltak, így gyakorlatilag nem találkozhatunk vele. n USB-1. 1: ez a gyakorlatban elterjedt első szabvány. n USB-2. 0: gyakorlati előnye a mini-B csatlakozó és a Hi-Speed bevezetése. n USB-3. 0: Super. Speed lehetősége, amihez további 4 jelvezeték átvitele szükséges. Csatlakozók: n USB-A, ami a PC-n található. n USB-B, ami például a nyomtatókon található. n USB-mini. B, például régebbi hordozható eszközökön; kártyaolvasón. n USB-mikro. B, például az új hordozható eszközökön n USB-C: PC, laptop

További információk Átviteli sebességek – fizikai rétegben: n Low speed: 1, 5 Mbps, USB-1. 1, USB-2. 0, USB-3. 0. n Full speed: 12 Mbps, USB-1. 1, USB-2. 0, USB-3. 0. n Hi speed: 480 Mbps, USB-2. 0, USB-3. 0. n Super speed: 5 Gbps 8 b/10 b kódolással további 2 érpár felhasználásával, USB-3. 0.

Csatlakozók A kábeleknek elvileg két különböző csatlakozót (A és B) kell tartalmazniuk, hogy ne lehessen két host-ot összekötni (de azért gyártanak A-A kábelt is. . )

Átvitel Az eszközöknek 32 logikai csatornájuk (pipe) lehet (16 ki, 16 be). Adatátviteli módok: n Message pipe: kétirányú, rövid parancsok és státus n Stream pipe: adatok, egyirányú Bulk Transfers: fájlátvitel-jellegű adatátvitelre. ¨ Interrupt Transfers: megbízható karakteres jellegű adatok továbbítására. ¨ Isochronous Transfers: kis késleltetésű (realtime) átvitel, streamingjellegű adattovábbításhoz, adatvesztés előfordulhat. ¨ USB-2: négy vezeték: +5 V, Data-, Data+, Föld. (differenciális átvitel!)

Átvitel n n n n Differenciális NRZ (NRZI) (0 -ra vált) Bit stuffing hat egyes után. Csomagokban (packets) 8 b szinkronizáló sorozattal kezd. Van benne alvó mód (suspend) Lehet reset-elni a buszt. USB-3 -ban 8 b/10 b kódolás és CRC hibajavítás Ez a NAK csomag azt mondja, hogy nincs küldhető adat.

Átvitel Csomag típusok n Handshake: egy PID bájt (azonosító), ami lehet ¨ n ACK (acknowledge), NAK (negative acknowledge), stb. Token: parancsok a mestertől, PID+cím+CRC IN, OUT: host írni vagy olvasni aka; SETUP; SOF: szinkronizál stb. ¨ 7 b címek (127 devices); a nullás címen szól azoknak az eszközöknek, amik még nem kaptak címet ¨ n Data: PID+ data 0. . 8 B (low speed), 0. . 64 B (full speed), 0. . 1024 B (high speed) ¨ előtte token csomag címzéssel ¨

USB-OTG n n n Normál esetben egy mester (host) van, két host nem köthető össze. A szolga mindig szolga. Pl. a mobiltelefon mindig szolga, így nem köthetek rá egeret. Az USB-on-the-go (OTG) megoldás egy ötödik vezetékkel jelzi, hogy az eszköz most host vagy slave. Így ha ezt tudja a mobil, tablet stb, akkor köthetek rá egeret, billentyűzetet, pendrive-ot stb.

USB osztályok n n Az USB eszközök (szolgák) osztályokba (class) sorolhatóak, ennek a kódját átküldi a mesternek, ez alapján tudja az lekezelni. Például: ¨ ¨ ¨ ¨ n audio human interface device (HID): egér, billentyűzet image: webcam, scanner printer mass storage: pendrive, camera, external hdd usb hub: port elosztó wireless controller Az eszközökben saját mikrovezérlő/fpga van, ún. firmware programmal