Interfaces matérielles

Une interface (interaction) est la connexion entre les composants et les participants dans un système à microprocesseur.

V système à microprocesseur comprend : le matériel, les logiciels et les personnes... On distingue donc les types d'interfaces suivants :

• interface matérielle ;

• interface logicielle ;

• interface utilisateur.

Interface de programmation fournie par le système d'exploitation (le cas échéant). Les interfaces utilisateur les plus courantes sont une interface graphique (par exemple, un bureau d'ordinateur avec des icônes ou des boutons de commande dans l'éditeur Microsoft Office Word) et une interface joystick, où nous sélectionnons la commande dont nous avons besoin en naviguant dans les menus (par exemple, les téléphones mobiles , contrôleurs programmables) , qui est également un type d'interface graphique.

Une interface matérielle est un système de bus, de connecteurs, de dispositifs d'adaptation, d'algorithmes et de protocoles qui assurent la communication entre toutes les parties d'un système à microprocesseur. Les performances et la fiabilité du système dépendent des caractéristiques de l'interface.

Dans les systèmes à microprocesseurs embarqués, l'interface matérielle est fournie par les contrôleurs de déchargement de la CPU.Contrôleur Il s'agit d'un microcircuit spécialisé conçu pour effectuer des fonctions de surveillance et de contrôle. Le contrôleur gère le fonctionnement du dispositif, par exemple, disque dur, mémoire vive, clavier, et assure la connexion de ce dispositif avec les autres participants de la MS.

Les pneus sont contrôlés par des ponts... Dans MS complexe, par exemple, comme un ordinateur personnel, la place centrale est occupée par le «ChipSet» (ChipSet) - un ensemble de ponts et de contrôleurs. Le chipset contient deux puces principales, qui sont traditionnellement appelées le pont sud et le pont nord (Figure 1). Le northbridge dessert le bus système, le bus mémoire, l'AGP (port graphique accéléré) et est le contrôleur principal de l'ordinateur. Les poignées de pont sud fonctionnent avec des périphériques externes (bus PCI - bus d'E / S pour la connexion de périphériques).

Figure 1 — Organisations d'échange de données dans les ordinateurs personnels (PC)

L'organisation de l'interaction entre le processeur et les périphériques externes est la plus difficile, en raison de leur grande variété.

Les interfaces parallèles sont caractérisées en ce qu'elles utilisent des lignes de signal séparées pour transmettre des bits et les bits sont transmis simultanément. L'interface parallèle classique est un port LPT.

Une interface de transmission de données en série utilise une seule ligne de signal sur laquelle des bits d'information sont séquentiellement transmis les uns après les autres.

L'interface série la plus simple, qui s'est répandue à la fois dans les ordinateurs et dans les systèmes industriels, est la norme RS-232, qui est implémentée par COM - ports... Dans l'automatisation industrielle, il est largement utilisé RS-485.

Un bus USB (Universal Serial Bus) connecte une grande variété de périphériques à votre ordinateur, y compris les téléphones portables et l'électronique grand public.

La première spécification d'interface s'appelle USB 1.0, la spécification USB 2.0 est actuellement utilisée, les appareils modernes sont connectés à la spécification USB 3.0.

La norme USB 2.0 contient quatre lignes : réception et transmission de données, alimentation +5 V et boîtier. En plus de cela, l'USB 3.0 ajoute quatre autres lignes de communication (2 pour la réception et deux pour la transmission) et un boîtier.

Le bus USB a une bande passante élevée (USB 2.0 fournit un taux de transfert de données maximal jusqu'à 480 Mbps, USB 3.0 - jusqu'à 5,0 Gbps) et fournit non seulement le transfert de données, mais également l'alimentation des périphériques externes à faible consommation (courant maximal périphérique de consommation à travers les lignes d'alimentation du bus USB, ne doit pas dépasser 500 mA pour USB 2.0 et 900 mA pour USB 3.0), ce qui élimine le besoin d'alimentations externes.

Les interfaces sans fil (sans fil) vous permettent de vous éloigner des câbles de communication, ce qui est particulièrement important pour les appareils de petite taille, de taille et de poids comparables aux câbles. Utilisation des interfaces sans fil ondes électromagnétiques gammes de fréquences infrarouge (IrDA) et radio (Bluetooth, USB sans fil).

Une interface infrarouge IrDA permet une communication sans fil entre deux appareils à une distance allant jusqu'à 1 mètre. Communication infrarouge - Connexion IR (infrarouge) - sans danger pour la santé, ne provoque pas d'interférences dans la gamme de fréquences radio et garantit la confidentialité de la transmission. Les rayons infrarouges ne traversant pas les murs, la zone de réception est donc limitée à une petite zone facilement contrôlable.

Bluetooth (Bluetooth) est une interface radio de faible puissance (puissance d'émission d'environ 1 mW seulement) permettant d'organiser des réseaux personnels assurant la transmission de données en temps réel sur de courtes distances. Chaque appareil Bluetooth dispose d'un émetteur et d'un récepteur radio 2,4 GHz. La portée de l'interface radio est d'environ 100 m — pour couvrir une maison standard.

USB sans fil (USB sans fil) - une interface radio à courte portée avec une bande passante élevée : 480 Mbps à une distance allant jusqu'à 3 mètres et 110 Mbps à une distance allant jusqu'à 10 mètres. Il fonctionne dans la gamme de fréquences 3,1 - 10,6 GHz.

Une interface RS-232 (RS - Norme recommandée) connecte deux appareils - un ordinateur et un appareil de transfert de données. La vitesse de transmission est de 115 Kbps (maximum), la distance de transmission est de 15 m (maximum), le schéma de connexion est point à point.

Les signaux de cette interface sont transmis par une chute de tension de (3 … 15) V, par conséquent, la longueur de la ligne de communication RS-232 est, en règle générale, limitée à une distance de plusieurs mètres en raison d'une faible immunité au bruit. Il est le plus souvent utilisé dans les équipements industriels, dans un ordinateur personnel il sert à connecter un manipulateur de type "souris", un modem. L'interface RS-232 ne permet généralement pas la mise en réseau car elle ne connecte que 2 appareils.

Figure 2 — Connecteur RS-232 de type DB9

L'interface RS-485 est une interface série industrielle anti-brouillage à grande vitesse largement utilisée pour la transmission de données bidirectionnelle. Presque tous les ordinateurs modernes de conception industrielle, la plupart des capteurs et des lecteurs contiennent l'une ou l'autre implémentation de l'interface RS-485.

Une paire de fils torsadés (paire torsadée) suffit pour la transmission et la réception des données.La transmission de données s'effectue à l'aide de signaux différentiels (le signal d'origine passe sur un fil et sa copie inverse sur l'autre.). La différence de tension d'une polarité entre les fils signifie un logique, la différence de l'autre polarité signifie zéro.

En présence d'interférences externes, les prises des fils adjacents sont les mêmes, et puisque le signal est la différence de potentiel dans les fils, le niveau du signal reste inchangé. Cela offre une immunité élevée au bruit et une longueur totale de la ligne de communication jusqu'à 1 km (et plus avec l'utilisation de dispositifs spéciaux - répéteurs).

L'interface RS-485 permet l'échange de données entre plusieurs appareils sur une ligne de communication à deux fils en mode semi-duplex (la réception et la transmission passent par une paire de fils séparés dans le temps). Il est largement utilisé dans l'industrie pour créer des systèmes de contrôle de processus.

Ethernet (ether — ether) — technologie de transmission de données utilisée dans la plupart des réseaux informatiques locaux. Cette interface est basée sur la norme IEE 802.3 Alors que l'interface RS-485 peut être considérée sur une base un-à-plusieurs, Ethernet fonctionne sur une base plusieurs-à-plusieurs.

Il existe plusieurs options selon le débit et le support de transmission :

• Ethernet — 10 Mbit/s

• Ethernet rapide — 100 Mbit/s

• Gigabit Ethernet — 1 Gbit/s

• Ethernet 10 gigabits

Le câble coaxial, la paire torsadée (faible coût, haute immunité au bruit) et le câble optique (création de lignes plus longues et de canaux de communication à haut débit) sont utilisés comme supports de transmission.

Paire torsadée (paire torsadée) - un type de câble de communication, est une ou plusieurs paires de fils isolés torsadés ensemble et recouverts d'une gaine en plastique.

Par exemple, câble FTP (paire torsadée - paire torsadée avec un blindage en feuille commun et un conducteur en cuivre pour drainer les courants induits), 4 paires (massives), catégorie 5e (Figure 3). Le câble est destiné à une installation fixe dans des bâtiments, des structures et des travaux dans des systèmes de câbles structurés. Conçu pour les applications fonctionnant dans la gamme de fréquences avec une limite supérieure de 100 MHz.

Figure 3 — paire torsadée : 1 — gaine extérieure, 2 — feuille de blindage, 3 — fil de décharge, 4 — film protecteur, 5 — paire torsadée

Au niveau physique, le protocole Ethernet est implémenté sous la forme de cartes réseau embarquées dans des systèmes à microprocesseurs et de hubs qui relient les systèmes entre eux.

Les réseaux industriels (Profinet, EtherNet / IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink) sont construits sur la base d'Ethernet, qui concurrencent avec succès les réseaux développés précédemment Profibus, DeviceNet, CANopen, etc.