3.1
LEGATURA SERIE
Este un sistem de comunicaţie numerică, introdus ca urmare a necesităţii de a
controla un ansamblu tehnic cu elemente dispersate pe suprafeţe mari. Legătura serială
este cea mai veche şi rămasă printre cele mai utilizate. La un calculator, ea este utilizată,
în cea mai mare parte, pentru comanda ploterelor şi a imprimantelor seriale, fiecare
calculator personal având, cel puţin, un port serial. La acest port se pot lega direct o serie
de instrumente sau un modem. Utilizarea legăturii seriale este un mod simplu de transfer
a datelor şi sunt unele aplicaţii în care se dovedeşte cea mai performantă. Avantajele
constau, pe lângă existenţa portului serial la fiecare calculator, în numărul redus de
conductoare şi în distanţa relativ mare la care se pot transmite datele. Unul din cele mai
importante dezavantaje îl constituie viteza redusă de transmitere a datelor, având nevoie
de 8 transferuri separate pentru un byt de date. La RS-232 rata maximă de transfer
depinde de lungimea cablurilor de legătură deoarece capacitatea creşte şi se modifică
constanta de timp a circuitului. La RS 422 se utilizează semnale diferenţiale, ceea ce
îmbunătăteşte comportarea, mai ales în medii poluate electromagnetic.
Configuraţia cea mai simplă cuprinde un emiţător (calculatorul) şi un receptor
(imprimanta). Transferul de date este unidirecţional şi modul de transfer se numeste
SIMPLEX. Dacă cel două aparate sunt prevăzute cu posibilităţi de a fi alternativ emiţător
sau receptor, modul de comunicaţie se numeşte HALF-DUPLEX. Complexitatea maximă
apare când vrem să stabilim comunicaţii similare în ambele sensuri. In acest caz modul
de comunicaţie este DUPLEX
In privinţa protocoalelor de comunicaţie, se disting: protocolul asincron şi protocolul
sincron. La protocolul asincron (Fig.10) fiecare caracter este încadrat de 1 bit de start şi 1
sau 2 biţi de stop. Pentru a elimina ambiguitatea generată de alternarea parazită a biţilor
caracterului pe tot lungul liniei de transmisie, se foloseşte drept control bitul de control al
parităţii intre sfârşitul caracterului şi bitul de stop. In Fig.11 se dă un exemplu de un
caracter de 8 biţi încadrat de un bit de start, un bit de paritate şi un bit de stop.
Fig.10 Protocol asincron.
Fig.11. Protocol asincron cu bit de paritate.
Protocolul sincron este caracterizat prin prezenţa unui ceas de sincronizare. Fluxul
de date comportă numai caracterele de început şi de sfârşit de transmisie, iar viteza este
impusă de sincronizare.
Calculatoarele personale utilizează pentru interfaţa serială o cuplă de 9 pini sau, la
tipurile mai vechi, de 25 de pini şi, de obicei, au accesibile două astfel de interfeţe. In
tabelul 1 este prezentată semnificaţia pinilor pentru cele două tipuri de cuple.
Denumire
DCD (DATA CARRIER DETECT)
RXD (RECEIVE DATA)
TXD (TRANSMIT DATA)
DTR (DATA TERMINAL READY)
GND (GROUND)
DSR (DATA SET READY)
RTS (REQUEST TO SEND)
CTS (CLEAR TO SEND)
Cupla 25 pini
pin nr.
8
3
2
20
7
6
4
5
Tabelul 1
Cupla 9 pini
pin nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
Numeroase aparate utilizează conectarea la calculator prin intermediul interfeţei
seriale RS232. Modul de conectare poate însă să difere de la un aparat la altul. In
principiu, se poate conecta numai un singur aparat la o interfaţă serială. Programarea
modului de comunicaţie poate fi, de asemenea, foarte diferită. Interfaţa serială RS232
prezintă însă marele avantaj al facilităţii de conectare şi al modului simplu de programare
a comunicaţiei. In plus, transferul datelor are loc bidirecţional, ceeace face posibilă o
funcţionare full-duplex. In forma minimală, o conexiune serială RS232 se compune din
numai 3 conductoare:
RXD, conductorul pentru semnalul de recepţie;
TXD, conductorul pentru semnalul de emisie;
GND, conductorul de masă.
In cazul când la calculator se conectează MODEM-uri (pentru transmisii pe
distanţe mai mari de 15 m, maximul permis de standardul RS232), semnalele RXD şi
TXD nu se "încrucişează", pentru că MODEM-ul, deşi primeşte şi transmite date, nu le
prelucrează ci doar le retransmite la distanţă unui al doilea calculator (sau aparat)
(Fig.12).
Fig.12. Interfaţa RS232C între un calculator şi un modem.
Atunci când aparatele conectate nu sunt foarte depărtate între ele, modemul nu
este necesar, legăturile făcându-se prin conectare directă (Fig.13).
Fig.13 Legătura directă între două aparate
Siguranţa unei transmisii este determinată prin lungimea cablurilor de legătură
(maximum 2 x 15=30 m), nivelul de tensiune al semnalelor şi viteza de transmisie.
Nivelele de tensiune pentru interfaţa RS232 sunt ( Fig.14): HIGH= -15 V ; LOW= +15 V.
Intervalul de la -3 V la +3 V nu este permis.
Fig.14 Caracteristici electrice ale normei RS232C
3.1.1 Magistrala seriala (RS-232, RS-422, RS-485)
Standardul serial RS-232 este unul dintre cele mai folosite standarde de comunicatie.
Introdusa in 1962, RS-232 devine o componenta obisnuita pe calculatoarele mainframe,
pe terminale de date, pe inregistratoare, modem-uri si pe alte tipuri de echipamente cu
mult timp inainte de aparitia PC-urilor.
Initial, standardul RS-232 era destinat comunicarii intre un singur transmitator si un
singur receptor pe o distanta maxima de 15m si la o viteza de 19.200 biti/s. Aceste
distante si viteze sau dovedit a fi conservatoare. Totusi astazi seriala RS-232 lucreaza la
115-230 kbiti/s si la distante de peste 25 metri. Posibilitatea de a atinge aceste
performante depinde in mare masura de mediul inconjurator si de parametrii cablului
folosit. In general vorbind, un sistem nu poate furniza ambele performante simultan.
Conectorul obisnuit RS-232 era de 25 pini. Astazi, conectorul are doar 9 pini. Ambele
insa contin aceleasi noua linii de semnal, desi pinii pentru semnale pot avea numere
diferite.
Liniile DST, CD, DTS, RTS, CTS (vezi Tabelul 1) sunt folosite pentru controlul
transmisiei de date si se numesc linii de handshaking. Aceste linii sunt importante pentru
prevenirea si controlul situatiilor de “data overrun”. In general, doar 3 fire sunt necesare
pentru a stabili o legatura intre 2 instrumente: Tx,Rx, GND.
Un alt standard serial este RS-422. Este similar cu RS-232, diferenta majora
constand in modalitatea de transmisie diferentiala a datelor. Aceasta metoda necesita 2
fire active pentru a transmite un semnal, fata de una singura raportata la masa in cazul
RS-232. Transmisia diferentiala de date beneficiaza de o mai buna rejectie a zgomotelor,
suporta o viteza mai mare de transmisie si opereaza pe distante mai mari fata de RS232.
Viteza de transmisie poate ajunge si la 115kbiti/s iar distanta pana la 1200m.
Conectorul pentru RS-422 difera de cel RS-232, acest lucru facandu-le incompatibile. In
plus, standardul RS-422 poate controla pana la 10 receptori.
Urmatorul standard serial foarte popular, este standardul RS-485. Acesta combina
elemente din RS-422 cu posibilitatea de a administra multipli receptori si multipli
transmitatori pe o singura magistrala. Ca si RS-422, acest standard foloseste transmisia
diferentiala si poate opera pana la 115kbiti/s la o distanta de 1220 m. In plus, poate
suporta pana la 32 de transmitatori si 32 de receptori, facand astfel posibila construirea
de retele folosind un singur cablu RS-485.
Exceptand cazul retelei Ethernet, reteaua RS-422 si RS-485 ofera cel mai bun
raport viteza/distanta si o programare usoara a aplicatiilor care folosesc aceste
protocoale.
Astazi, majoritatea instrumentelor de laborator includ o interfata RS 232 si una
IEEE 488, ambele putand fi convertite la RS-422 sau RS-485 folosind convertoare
adecvate. Porturile seriale 232 si 485 sunt foarte utilizate in mediile industriale, unde
distanta are un rol hotarator.
3.1.2. Bus-ul universal serial (USB)
Acest bus a fost introdus in 1995 pentru a corecta problemele de conectivitate
aparute la standardele seriale. Acest standard suporta multiple aparate si beneficiaza de
o instalare rapida si usoara, viteza foarte mare de lucru si un cablu mult mai simplu decat
cel necesar conectarii la un port serial sau paralel. De asemenea, poate furniza tensiune
de alimentare perifericelor, eliminand astfel necesitatea unei surse de alimentare externe.
Multe din calculatoarele de astazi ofera in dotarea standard unul sau doua porturi
USB. Prin folosirea unor hub-uri externe, se pot conecta pana la 127 de aparate
periferice. Aceste hub-uri pot fi aparate de sine statoare sau pot fi construite in interiorul
tastaturii, a monitorului, etc. De asemenea pot include si o sursa de alimentare pentru
alimentarea perifericelor USB.
Distanta de operare este pana la 5 metri/cablu. Viteza maxima este de 12Mb/s
pentru standardul 1.1. Pentru versiunea USB 2.0, viteza este de 480Mb/s.
Perifericele USB sunt aparate ce se conecteaza/deconecteaza “ la cald” la un PC
alimentat, fara a fi necesara restartarea acestuia. De asemenea acest standard
incorporeaza si facilitatile de Plug-and-Play, asfel incat un aparat este configurat si
recunoscut automat de catre sistemul de operare. Acesta este unul din punctul forte al
standardului USB.
Standardul este in intregime suportat de Windows98, Windows ME si Windows
XP. Doar unele versiuni de Windows 95 au implementat acest standard.
Pe lista aparatelor disponibile in versiune USB putem enumera: mouse-uri,
tastaturi, imprimante, boxe audio, harddiscuri, modemuri externe. Placile de achizitie de
mare viteza incep a fi conectate prin acest bus USB. Au aparut si convertoare RS232,
GPIB – USB.
3.1.3 IEEE-1394 FireWire
FireWire (fig.15 )este o interfata similara celei USB, beneficiind de o rata mai mare
de transfer.Tehnologia a fost dezvoltata de catre Apple Computer pentru transmisia
digitala a imaginilor video, a fisierelor audio si a altor aplicatii de mare viteza si apoi
propusa ca standard comisiei IEEE. In 1995, FireWire primeste denumirea de IEEE-1394.
Acest standard ofera viteza mare de transfer, interconectare simpla si posibilitatea de
interconectare a 63 de aparate pe un bus.
Viteza de transmisie pe acest bus atinge 400Mb/s pe distante de pana la 5m. In
curand se asteapta viteze de pana la 1Gb/s si marirea distantei de lucru. Ca si la interfata
USB, un aparat poate fi conectat sau deconectat de pe bus “la cald”, beneficiind de
asemenea de facilitatile Plug-and-Play. Windows 98, Windows ME si 2000 contin drivere
pentru acest tip de interfata. Interfata FireWire a inlocuit-o pe cea SCSI din ultimele
modele Apple. Totusi ea nu este implementata pe calculatoarele IBM PC, facand astfel
necesara prezenta unui adaptor.
fig. 15 Interfata FireWire
Desi cablurile FireWire seamana intrucatva cu cele USB, totusi ele nu sunt
compatibile nici fizic si nici electric. Cablul consta dintr-o pereche ecranata de cabluri
rasucite impreuna, plus doua conductoare aditionale de alimentare a perifericelor
FireWire. Interfata Sony “iLINK” este o versiune cu doar 4 fire a interfatei Firewire.
Alimentarea nu este transmisa, insa protocolul de transmisie este identic.
Acest tip de interfata a fost adoptat in aplicatiile de transmisie a imaginilor video si
audio, ceea ce era de asteptat stiindu-se ca acesta este punctul forte al calulatoarelor
Apple. Aceasta interfata se preteaza foarte bine in aplicatii care transfera o cantitate
foarte mare de date la o viteza mare de transmisie. In cursa de obtinere a suprematiei in
domeniul vitezei de transmisie, interfata FireWire a castigat primul loc, inaintea celei USB.
Totusi, ea ofera posibilitatea de a conecta mai putine periferice decat portul USB (63 fata
de 127) si o distanta mai mica de lucru. Oricum ambele tehnologii sunt noi si s-ar putea
ca ambele sa devina dotari standard in orice PC.
In ceea ce priveste achizitie de date prin interfata FireWire, la ora actuala exista
cateva solutii de achizitie de date bazate pe acest tip de interfatare. Totusi, ceea ce este
esential, este ca acest tip de intefata este preferat celui USB in ceea ce priveste
inlocuirea standardului GPIB in aplicatiile de testare si masurare. Deja s-au dezvoltat
protocoalele pentru transmiterea mesajelor SCPI IEEE-488.1 si IEEE-488.2 pe interfata
FireWire.
3.2.
Legături paralele
In domeniul măsurătorilor apar situaţii în care trebuiesc executate măsurări
repetate de un număr mare de ori, impunându-se automatizarea măsurărilor. Un sistem
automat de măsurare se poate realiza prin legarea mai multor aparate într-o ordine bine
determinată, încât diferitele sarcini să fie executate fără intervenţia operatorului. Structura
unui astfel de sistem de măsurare este complexă şi nu se pretează la modificări. Soluţia o
reprezintă standardizarea legăturilor dintre aparate.
Pentru a depăşi limitările legăturii seriale în aplicaţii de măsurare şi testare, firma
Hewlett Packard a dezvoltat în anii ’60 Hewlett Packard Interface Bus (HPIB). In afara de
aparatele necesare pentru măsurări, Hewlett Packard a utilizat acest bus pentru
conectarea unei mai mari varietăţi de periferice, inclusiv imprimante şi dispozitive de
memorare a informaţiilor. Acest bus şi-a câştigat popularitate şi în anul 1978, Institute of
Electrical and Electronic Engineers (IEEE) a emis standardul IEEE 488. Norma impune
caracteristicile mecanice (conectoare, repartizare pini etc.) şi caracteristicile electrice
(nivele de tensiune corespunzătoare anumitor stări logice, caracteristicile organelor de
comandă etc.) a sistemului de interfaţare. Se asigură posibilitatea legării directe a unor
aparate diferite cu un singur cablu standardizat, cu condiţia ca aceste aparate să aibă o
interfaţă conform normei.
Comunicaţia de tip paralel asigură viteze mari, de 2000-3000 kBaude. Bus-ul
utilizează transmisia asincronă, viteza de comunicaţie fiind impusă de aparatul cel mai
lent din sistem. Acesta este numai aparent un dezavantaj, deoarece timpul de măsurare
al aparatelor este de obicei mult mai mare decât timpul necesar comunicaţiei. Conectorul
specific al acestei magistrale are 24 de pini, care sunt alocaţi conform standardului pentru
intrări-ieşiri de date şi comenzi. Pentru realizarea unui sistem automat de măsurare cu
IEEE 488 este necesar un computer IBM sau compatibil, care să posede, conectată pe
bus-ul intern, placa de interfaţă specializată, iar aparatele utilizate trebuie să fie
prevăzute, de asemenea, cu această interfaţă. Sistemul poate fi format din maximum 15
aparate ce pot fi conectate la computer în două moduri: în stea (Fig.16.a) sau în serie (
Fig.15 b). Legăturile între aparate trebuie să fie cât mai scurte şi să nu depăşească
lungimea de 2 m, iar distanţa maximă de la controler la ultimul element este de 20m.
Legătura în serie permite o dispersare mai mare a aparatelor, dar o conectare imperfectă
la una din cuple poate crea probleme de reflexii pe cabluri sau chiar întreruperea
comunicaţiei cu aparatele. De asemenea, viteza de comunicaţie este mai mică, datorită
traseelor mai lungi. Legătura în stea asigură distanţe minime între aparate, o viteză de
comunicaţie mai mare, fiind recomandată în aplicaţii.
a)
b)
Fig. 16. Conectarea aparatelor la calculator pe BUS-ul HPIB.
Revizuirea standardului, în anul 1987, a condus la IEEE 488-1987- Standard
Digital Interface for Programmable Instrumentation. Astăzi, acest bus, cunoscut şi sub
numele de General Purpose Interface Bus (GPIB) este extrem de utilizat în sistemele de
măsurare. In anul 1987 a apărut o extensie a standardului iniţial, IEEE 488.2-1987 (IEEE
Standard Codes, Formats, Protocols, and Common Commands for Use with IEEE 488.11987) ce defineşte pentru utilizator toate necesităţile de comunicaţie cu bus-ul IEEE 488.
Principalele dezavantaje ale utilizării IEEE488 sunt costul, mărimea sistemului şi
uneori, performanţele obţinute. Fiecare echipament conectat extern la calculator este o
unitate separată, cu display şi control propriu şi cablu propriu de conectare. O cale de
reducere a inconvenientelor este de a introduce funcţiile de măsurare în controlerul
sistemului. Acest lucru se poate realiza prin introducerea unor plăci specifice direct în
calculator ( cu funcţii ca: intrări analogice sau digitale, ieşiri analogice sau digitale, filtrări
sau condiţionări de semnal). Aceste plăci sunt disponibile pentru o varietate mare de
calculatoare. Astfel, există plăci pentru calculatoare personale ce utilizează bus ISA
(Industry Standard Architecture), bus EISA (Extended Industry Standard Architecture) sau
PCI bus, ce pot transfera până la 100MB/s.
Aparatele compatibile IEEE 488, dotate cu interfaţă corespunzătoare, pot avea în
sistem trei funcţii:
 ascultători (listeners) - primesc datele atunci când sunt adresaţi. Pot fi activi şi mai
mulţi ascultători simultan.
 vorbitori ( talkers ) emit date atunci când sunt adresaţi. Un singur vorbitor poate fi
activ la un moment dat pe bus.
 controleri (controllers) - adresează aparatele legate la bus, fie că este vorba de
ascultători, fie de vorbitori şi trimit instrucţiuni speciale şi
semnale de comandă. Pentru a comanda în mod eficient,
controlerul trebuie să poată asculta şi vorbi în mod egal.
Acest port paralel se poate gasi astazi pe orice calculator. Scopul initial al acestui
port a fost acela de a interfata cu calculatorul, imprimantele compatibile Centronics. De-a
lungul anilor, si alte aparate au fost interfatate cu un astfel de port: scanere, harddiscuri,
unitati de socare pe banda magnetica.
Aceasta interfata foloseste 8 linii de date, permitand transmisia unui octet de date
simultan, acest lucru ducand la o viteza de lucru superioara celei oferite de RS-232.
Standardul IEEE-1284 a fost introdus pentru a descrie cele 5 moduri de operare al
portului paralel. Primele trei moduri de operare sunt unidirectionale si suporta o viteza de
transfer de pana la 100kbiti/s. Ultimele doua moduri, EPP (Enhanced Parallel Port) si
ECP (Enhanced Capability Port) sunt bidirectionale si ofera viteze mai mari de lucru.
Aceste doua moduri avansate de operare necesita porturi paralele si cabluri care suporta
aceste moduri bidirectionale de lucru. Marea majoritate a PC-urilor includ cel putin
standardul EPP.
In ciuda marii popularitati de care se bucura, portul paralel nu este aplicabil in
sistemele de achizitie de date, desi exista unele solutii care au adoptat aceasta interfata.
Motivul acestei cauze este acela al distantei si vitezei mici de lucru. Alt motiv constain
faptul ca implementarea hardware a portului paralel a fost facuta in diferite moduri, lucru
care face dificila interconectarea cu alte PC-uri. Si nu in ultimul rand, ca si slotul ISA,
acest port paralel in curand va disparea din calculator, fiind inlocuit de portul USB si
FireWire.
Interfata IEEE-488 (GPIB)
Acest standard a fost dezvoltat de Hewlett-Packard in 1965 sub numele de “HP
Interface Bus” (HP-IB) pentru instrumente de laborator programabile, inregistratoare si
alte tipuri de instrumente. Interfata s-a dovedit a fi versatila si populara si in ultima
instanta a fost redenumita de catre IEEE cu numele de GPIB.
GPIB (fig. 17. ) a devenit un standard industrial pentru a gama foarte variata de
instrumente electronice, inclusiv instrumente dedicate achizitiei de date. Bus-ul paralel de
8 biti este capabil de o viteza de pana la 1Mb/s. Pe acest bus pot fi conectate pana la 15
aparate in structura inlantuita. Distanta maxima a unui cablu este de 2 metri, iar distanta
maxima poate fi extinsa la 2 km folosind repetoare hardware.
Fig. 17 Interfete GPIB
Din 1992, anumiti producatori de interfate GPIB au inceput introducerea versiunilor
de mare viteza a acestor interfate, denumite “HS-488”. Acestea ofereau o viteza marita
de comunicare pe aceeasi schema de handshaking. Oponentii acestei interfete ridicau
problema compatibilitatii si a problemelor de interoperabilitate aparute intre vechea
generatie si cea noua. Desi astazi, aceasta versiune imbunatatita este disponibila,
standardul nu a fost adoptat pe scara larga. Avand 20 de ani de existenta, aparatura care
foloseste interfata GPIB are avantajul unei largi raspandiri. Aceste instrumente nu vor fi
inlocuite curand, in ciuda avantajelor oferite de HS-488.
3.3.
Interfata de retea
Placa de retea (Fig 18) confera PC-ului posibilitatea de a se conecta intr-o retea de
alte calculatoare.
Aceasta comunica cu reteaua printr-un protocol serial iar cu pc-ul printr-un protocol
paralel. Functionarea unei placi de retea este bazata pe serviciul de intreruperi Interrupt
Request (IRQ), pe adresa de I/O si pe spatiul de memorie necesar comunicarii cu
sistemul de operare.
Fig 18 Placa de retea - model uzual
O intrerupere consta in generarea unui semnal catre procesor, semnal care-l
avertizeaza ca un eveniment aparut necesita tratarea imediata. De exemplu, un semnal
de IRQ este transmis catre procesor atunci cand o tasta este apasata. La aparitia acestui
semnal, procesorul permite transmisia caracterului de la tastatura catre RAM. O adresa
de I/O este o locatie de memorie utilizata de calculator pentru transferul de date catre si
dinspre dispozitivele auxiliare. O zona speciala este zona de memorie cuprinsa intre
octetii 640kB si 1MB. Aceasta zona este numita “upper memory” si este destinata special
comunicarii cu dispozitivelor auxiliare.
Viteza de transmisie a datelor, variaza in mod curent intre 10 si 100MBs. Astazi, se
lucreaza intens la implementarea pe scara larga a standardelor de 1Gbs si 10Gb/s.
Cel mai important factor care influenteaza viteza este mediul fizic utilizat: cupru,
fibra optica sau aerul pentru transmisii fara fir. In cazul cuprului, vitezele uzuale sunt de
10Mbs -10BaseT pentru cablu coaxial si 100MBs –100BaseTx sau 1GBs –1000Base
pentru cablu UTP. In cazul fibrei optice, astazi se lucreaza in mod curent cu viteze de
1Gbs si10GBs -10Gbase. Pentru transmisiile fara fir, standardele de transmisie sunt de
5.5, 11 si 54 MBs.
Este demn de mentionat faptul ca, in curand, se vor implementa standardele de
40Gb, 100Gb si 160Gbs, standarde implementate pe suport de fibra optica.
Avand avantajul utilizarii unei infrastructuri existente si a vitezelor mari de
transmisie, este de asteptat ca marea majoritate a echipamentelor sa fie dotate de acum
incolo cu o interfata de retea.
Fig 19. Medii de transmisie folosite in retea
3.4.
Convertoare si repetoare de semnal
Protocoalele de comunicatie includ in specificatii distanta pana la care functionarea
decurge in mod normal. Adesea este posibil extinderea acestei distante folosind
dispozitive externe pentru amplificarea nivelelor de semnal sau pentru convertirea unui
protocol intr-altul care poate fi transmis la o distanta mai mare.
Tipurile intalnite de interfete si adaptoare conecteaza IEEE488 la RS232, RS232 la
Ethernet si IEEE 488 la Ethernet. In fiecare caz, utilizatorul trebuie sa stabileasca daca
folosind unul din aceste convertoare isi atinge scopul mai ieftin decat alte metode. De
exemplu, un calculator contine 2 porturi seriale, in timp ce aplicatia necesita un
instrument cu interfata GPIB. Utilizatorul trebuie sa hotarasca daca e mai bine sa
cumpere un adaptor RS232-IEEE 488 sau sa achizitioneze o placa IEEE-488.