Интерфейсы информационных систем

Интерфейсы информационных систем

Контрольная работа

Интерфейсы информационных систем

1. Особенности организации взаимодействия технических устройств, их учет в стандарте IEC 625-1

интерфейс связь прибор

Стандартный интерфейс IEC 625-1 для программируемых приборов

Стандарт МЭК (IEC). Общие сведения.

Интерфейсы стандарта МЭК (IEC) относятся к классу интерфейсов для программно-управляемых модульных систем. Они позволяют при разработке систем управления или систем исследования и испытания использовать непосредственно или с небольшими доработками любые функциональные элементы-приборы, в том числе выпускаемые промышленностью и в данный момент не приспособленные к системному применению. В системе для решения ее задач все эти приборы будут работать по командам (или программам), которые формирует контроллер или ЭВМ. Отсюда и название интерфейса - для программируемых, т.е. управляемых по командам контроллера.

Имелось несколько попыток создания стандартных интерфейсов для программируемых приборов. Наиболее успешной была разработка фирмы «Hewlett-Packard». Ее интерфейс HP-IB с параллельно-последовательной передачей данных в 1974 году был рекомендован в качестве проекта стандарта Международной электротехнической комиссией (МЭК или IEC). Материалы проекта МЭК явились основой стандарта IEEE-488, который в конце 1974 года стал национальным стандартом США на интерфейсы для программируемых приборов. Это стало началом широкого распространения стандарта МЭК. С 1975 г. он стал международным. Достоинства интерфейса стандарта МЭК заметно проявляются в тех случаях, когда у пользователя (или разработчика) возникает разовая задача по созданию системы, например автоматизации эксперимента (или системы исследования и испытаний), причем на специальные разработки для этой системы нет ни времени, ни ресурсов. Стандартная шина сопряжения МЭК позволяет в этом случае легко объединить в любом сочетании друг с другом имеющиеся измерительные, регистрирующие и управляющие приборы, ЭВМ и периферийное оборудование в желаемую систему. Поэтому к концу 1977г. около 100 различных фирм-изготовителей выпускали более 300 типов приборов, отвечающих данному стандарту и практически все ведущие фирмы изготовители ЭВМ стали выпускать контроллеры различных типов, обеспечивающих выход на данный интерфейс.

В 1979 году стандарт был скорректирован МЭК и утвержден под названием IEC 625-1. В 1980г. на его основе был введен соответствующий ГОСТ 26.003-80 (переиздан в 1985г.). Однако наиболее часто в литературе, справочниках он упоминается по имени первого стандарта IEEE-488. В приборных интерфейсах нормализованы: логическая организация, электрические сигналы, разъемы и терминология. Логический стандарт нормализует все функции сигналов, их временные зависимости и расположение на контактах разъемов.

Особенностью стандарта IEC является отсутствие ограничений на конструктивную реализацию и способы построения устройств, а также способы объединения их в систему. Стандарт определяет только магистраль, по которой осуществляются обмен информацией, синхронизация и управление. Магистраль является полностью пассивной. Все активные цепи, по которым вырабатывают управляющую информацию и осуществляют прием и передачу информации, размещаются на интерфейсных картах (печатных платах устройств).

Активные цепи и магистраль, выполняемая обычно в виде кабеля того или иного типа, на каждом конце которого имеется двусторонний разъем с винтовыми зажимами, образуют собственно магистраль. Конструкция разъема обеспечивает установку одного разъема на другой, что позволяет собирать системы любой произвольной конфигурации: однолинейную, звездой и т.п. При этом максимальная длина кабеля магистрали системы не превышает 20 м при произвольном распределении участков кабеля между устройствами, число которых не должно превышать 15. При определенных конфигурациях интерфейсной системы и режимах работы скорость передачи данных может достигать 1 Мбайт/с.

Логическая организация интерфейса

По характеру взаимодействия с магистралью интерфейса стандарт устанавливает четыре группы функциональных устройств: прибор-контроллер (К), прибор-источник-приемник (ПИП), прибор-источник (ПИ), прибор-приемник (ПП). Наименование «ПРИБОР» - термин стандарта IEC. Под функциональным устройством понимают устройство, прибор, состоящее из: 1) аппаратных узлов, осуществляющих чисто приборные функции, 2) интерфейсных узлов, которые представляют собой аппаратурную реализацию интерфейсных функций, и 3) узлов сопряжения собственно прибора с интерфейсом. Физическая реализация интерфейсных узлов и узлов сопряжения представляет собой интерфейсную карту (плату).

Реальные приборы по своему назначению, процедурам переработки информации, выполняемым функциям фактически относятся к одному из определенных стандартом типов приборов. Например, АЦП - это приемник аналогового сигнала и источник дискретных сигналов; печатающее устройство - это типичный приемник информации; генератор тест-сигналов - это типичный прибор-источник. Пример контроллера - ПЭВМ, специализированный процессор.

Функциональные устройства (или по стандарту приборы) соединяются между собой при помощи 24 сквозных линий магистрали. 16 из них являются основными сигнальными линиями, которые и обеспечивают взаимосвязанную работу функциональных устройств. По остальным 8 линиям передается сигнальный нуль и они образуют с сигнальными линиями витые пары, чтобы повысить помехоустойчивость передачи данных по ним. 24 провода линий образуют кабель, заключенный в общий экран. Линия экрана выделена в отдельную и у всех приборов и кабелей соединена с соответствующим контактом разъемов. Взаимосвязь приборов с линиями магистрали интерфейсов осуществляется по следующей схеме (см. рисунок).

Основные 16 линий магистрали по функциональному назначению подразделяются на три отдельные шины: шина данных (№ 1), шина синхронизации (№ 2), шина управления (№ 3). На схеме приведены международные обозначения линий по наименованию команд. Все эти линии являются сквозными и соединяют соответствующие контакты у всех разъемов функциональных элементов (приборов).

Шина данных (ШД) предназначена для передачи по 8 линиям DI01-DI08: 1) интерфейсных сообщений (например адресов и команд) от контроллера к приборам; 2) для передачи приборных сообщений (программ, результатов измерений основных данных между приборами, и 3) сигналов (данных) о состоянии от приборов к контроллеру. Тип сообщения определяется состоянием линии ATN шины № 3. Передача каждого байта информации по шинам данных осуществляется параллельно, асинхронным образом по сигналам линий шины синхронизации (№ 2). Период времени, в течение которого информация действительна на шине данных, зависит от наличия сигнала (потенциала низкого уровня) в линии DAV (см. ниже в п. 2.4.3 временные диаграммы).

Присоединяемые к линиям шин устройства приема данных должны содержать буферные каскады, чтобы не перегружать шину.

Примечание. По всем линиям магистрали IEC передаются сигналы с уровнями ТТЛ, но в связи с тем, что ее шинами управляют формирователи с открытыми коллекторами, в ней используется инверсная логика. Это означает, что напряжения менее 0,8 В соответствуют логической 1, а напряжение выше 2,5 В - логическому 0.

Шина синхронизации (ШС). В нее входят три сигнальные линии DAV, NRFD и NDAC. По ним передаются сигналы согласования в виде потенциалов высокого (около +5 В) или низкого (менее 0,8 В) уровня, которыми подтверждается соответствие состояний приборов, необходимых для обмена между ними информацией (она передается по шине данных). В интерфейсе принят способ реализации процедуры установления соответствия, когда первым устанавливает флаг готовности прибор-приемник (ПП). Сигналы о готовности ПП передаются по линии NRFD, путем установления в ней напряжения высокого уровня +5 В. При этом реализуется конъюнкция (объединение) сигналов готовности всех ПП. Поэтому приборы, адресованные на прием, должны постоянно поддерживать на линии NRFD высокий потенциал. Когда ПП не готов к приему он устанавливает на линии NRFD низкий потенциал (менее 0,8 В), т.е. логическую 1. По этому состоянию линия NRFD и носит название «Не готов к приему данных». Если произнести эту фразу по английски, то по начальным буквам слов и получится аббревиатура NRFD.

Линия NDAC (ее аббревиатура - английская фраза, данные на приняты, на линии низкий потенциал). Линия управляется приборами, адресованными на прием т.е. приборами-приемниками (ПП) и предназначена для передачи прибору-источнику сигнала-квитанции об успешном приеме информации. Если информацию принимают несколько ПП, то их сигналы-квитанции в линии NDAC объединяются. Поэтому, пока самый медленно действующий из приемников еще не принял информацию, напряжение на линии будет оставаться на низком (менее 0,8 В) уровне. Когда все устройства примут данные, на линии NDAC установится высокий уровень +5 В. Тем самым Прибор-Источник оповещается о том, что все приемники восприняли информацию.

Шина управления (ШУ). Используется для передачи управляющих сигналов между прибором-контроллером и другими приборами с помощью пяти линий.

Линия ATN (внимание) отведена для передачи одноименной команды ATN, которая характеризуется низким уровнем напряжения на линии. Она показывает, что по информационной шине передаются адреса или универсальные многолинейные команды. Выдача сигналов на линию ATN осуществляется только прибором, выполняющим в данный момент функцию ПК в системе. При установлении высокого напряжения в линии начнется обмен информацией между приборами, которые были адресованы во время нахождения на линии низкого уровня напряжения. На передачу может быть включено не более одного устройства, а на прием - более одного устройства (без ограничений).

Линия IFC (очистить интерфейс) используется контроллером при запуске системы. Когда он устанавливает на ней потенциал низкого уровня, все устройства, подключенные к магистрали, освобождают себя от адресов и переходят в исходное состояние.

Линия SRQ (запрос на обслуживание). Она является общей для всех приборов и используется ими для того, чтобы передать на прибор-контроллер сигнал о том, что они нуждаются в обслуживании. Сигнал характеризуется низким уровнем напряжения. Обнаружив низкий логический уровень на линии SRQ прибор-контроллер должен опросить все подключенные к шине устройства, чтобы установить, какое из них нуждается в обслуживании. После этого выполняется необходимое действие. Если после этого на линии сохраняется 1, т.е. низкий потенциал, то опрос повторяется.

Линия REN (дистанционное управление). Она используется контроллером (ПК) для передачи команды REN, характеризующейся потенциалом низкого уровня, на разрешение программного (дистанционного) управления приборами. Отсутствие команды (высокий уровень напряжения на этой линии) свидетельствует о том, что приборы находятся в «местном» управлении и режимы их работы можно изменять в ручную, используя для этого имеющиеся у каждого прибора соответствующие органы управления.

Линия EOI (конец идентификации). Она служит, во-первых, для того, чтобы любой прибор-источник смог просигнализировать; передав сигнал EOI в виде напряжения низкого уровня о том, что передача им сообщений (данных) по информационной шине окончена. Во-вторых, в сочетании с командой на линии ATN сигнал EOI может использоваться прибором-контроллером для реализации им параллельного опроса по идентификации прибора, требующего обслуживания.

Протокол сигналов для установления связи по магистрали IEC

По линиям магистрали интерфейса IEC 625-1 информация передается байт за байтом. Чтобы передача информации осуществлялась, прибор-источник и приборы-приемники должны принять соответствующие состояния, о которых они сигнализируют специальными сигналами. Ранее мы их называли флагами. Обмен флаг-сигналами, сигналами-квитанциями в интерфейсе IEC 625-1 осуществляется по линиям шины синхронизации DAV, NRFD и NDAC. Обмен этими сигналами дает гарантию того, что байт данных будет подан на информационную шину только при условии, что все устройства-приемники готовы считать его, что считывание не будет начато ранее, чем байт будет действительно подан, и что байт будет оставаться на шине, пока его успешно не примут все устройства-приемники (ПП). Процесс обмена сигналами синхронизации по шине синхронизации для установления надежной связи можно представить следующими временными диаграммами.

Прежде чем подать байт на шину данных, передатчик (ПИ) должен дождаться, пока сигнал NRFD не перейдет на высокий логический уровень. Переход на высокий уровень свидетельствует о том, что все подключенные к магистрали интерфейсы устройства действительно готовы к приему данных.

После этого устройство-передатчик (прибор-источник) может подать на информационную шину байт данных. О готовности данных для приема передатчик сигнализирует по линии DAV, устанавливая на ней низкий логический уровень.

Устройства-приемники (ПП), обнаружив низкий логический уровень на линии DAV, приступают к считыванию данных с шины данных. По окончанию считывания, каждое из этих устройств «освобождает» линию NDAC, выставив на ней высокий логический уровень, что свидетельствует о том, что последнее из устройств-приемников завершило считывание данных. Устройство-передатчик (ПИ) интерпретирует такое состояние как признак окончания приема данных. После этого прибор-источник может прекратить вывод данных на шину и перевести в неактивное состояние линию DAV.

Все рассмотренные сигналы или команды интерфейса называются однолинейными, т.к. передаются по одной линии магистрали. Имеются еще многолинейные команды интерфейса. Они передаются по линиям шины данных DI01-DI08.

Функционирование приборов и устройств в системе, организуемой с помощью интерфейса, обеспечивается при помощи дистанционных и местных многолинейных команд.

Дистанционные команды - это те, которые передаются по магистрали интерфейса от одного прибора или устройства к другому с целью изменения состояния их интерфейсных функций. Например, перед любым обменом данными через магистраль контроллер интерфейса должен указать, какие устройства будут выполнять функции передатчика, а какие - функции приемника.

Местные команды поступают в узлы, реализующие приборные функции, или генерируются ими. Об этих функциях мы поговорим ниже.

Условия функционирования приборов в системе

Интерфейс IEC 625-1 принципиально отделяет алгоритмы работы приборов (приборные функции) и алгоритмы функционирования интерфейса (интерфейсные функции), оставляя свободу выбора элементной базы, логических и приборных функций отдельных устройств за разработчиком. В то же время интерфейсные функции гарантируют правильное поведение прибора по отношению к магистрали. Подобное разделение функций внутри отдельного прибора можно представить следующей схемой (рисунок ниже). Одновременно схема показывает структуру организации присоединения приборов к магистрали интерфейса IEC 625 - 1. Здесь область А - интерфейсная часть прибора. Она включает блоки интерфейсных функций SH, AH, ….., С, блоки кодирования сигналов и устройства сопряжения - входные и выходные цепи. Буквой В отмечена функциональная часть самого прибора. Цифрами отмечены: 1 - сигнальные линии магистрали; 2 - дистанционные сигналы из магистрали в интерфейсные узлы и обратно (интерфейсные сообщения); 3 - зависящие от конкретного выполнения сигналы от приборных узлов к интерфейсным и обратно (приборные сообщения); 4 - связи между интерфейсными функциями (узлами), влияющие на их состояние; 5 - внутриприборные сигналы между приборными и интерфейсными узлами (местные сообщения); 6 - дистанционные команды в магистраль интерфейса, посылаемые приборными узлами контроллера.

Условия функционирования приборов, предписанные стандартом на интерфейс МЭК, распространяются на приборные функции (частично), на интерфейсные функции и кодирование сообщений. Ряд приборных функций, таких, например, как, измерение того или иного вида аналоговых величин, пределы измерения, режим работы и т.п., обусловлен ориентацией собственно прибора. На них требования интерфейса не распространяются. Эти функции прибора, реализуемые в приборе его функциональной частью, задает пользователь, разработчик системы, выбирая при этом соответствующие сигналы из номенклатуры интерфейса. Функции и сигналы сопряжения при этом жестко регламентированы стандартом на интерфейс.

Взаимодействие соединенных магистралью приборов осуществляется в результате выполнения десяти интерфейсных функций SH, AH,… Под ними понимается совокупность операций при обмене данными. Пять функций L, AH, T, SH, C относятся к основным. Остальные пять - SR, RL, PP, DC, DT к дополнительным функциям. Основные интерфейсные функции характеризуются тем, что без любой из них (за исключением C) не может быть построена даже простейшая система на основе интерфейса, а дополнительные не являются обязательными и служат для расширения функциональных возможностей интерфейса. Каждая функция интерфейса реализуется аппаратно или программно в устройстве.

Назначение функций. Интерфейсная функция L обеспечивает возможность приема данных (в том числе байта состояния прибора) через магистраль от других приборов. Функция вступает в действие после адресации «ПП».

Функция AH. Обеспечивает связь через магистраль с функцией согласования передачи и осуществляет асинхронный прием каждого передаваемого байта. Эта функция для выполнения процесса согласования использует следующие сигналы магистрали: DAV - (данные действительны), RED - «Готов к приему» и DAC - «Данные приняты».

Функция T. Обеспечивает возможность передачи данных, в том числе байта состояния, через магистраль к другим приборам. Функция вступает в действие после адресации «ПИ».

Функция SH. Осуществляет связь через магистраль с функцией согласования приема и производит асинхронную передачу каждого байта. Эта функция использует сигналы магистрали DAV, RED и DAC.

Функция C. Обеспечивает возможность управления данным устройством через интерфейс, т.е. осуществлять передачу адресов и команд, прием соответствующих сообщений и сигналов магистрали.

Функция SR. Позволяет любому прибору на магистрали асинхронно по отношению к операциям магистрали сообщать контроллеру по линии SRQ (Запрос на обслуживание). Все приборы подключены к линии SRQ параллельно, поэтому контроллер определяет источник запроса последовательным обращением к приборам.

Функция RL. Поскольку любой прибор на магистрали имеет два источника управления, то эта функция определяет, будет ли прибор получать команды управление через магистраль (дистанционное управление) или осуществлять управление от рукояток передней панели (местное).

Функция РР. Обеспечивает передачу через магистраль к контроллеру бита состояния ПИ без его адресации. Параллельный опрос позволяет одновременно восьми приборам передать бит состояния, используя линии данных DI01-DI08. Инициатором опроса служит контроллер. Он выдает на линиях ATN - «Внимание» и DIO конец передачи сигнала, одновременное возникновение которых является командой параллельного опроса. Схема параллельного опроса в ответ на эту команду осуществляет передачу бита состояния ПИ на одну из линий DIO, закрепленную за прибором.

Функция DC. Позволяет устанавливать отдельные приборы магистрали и их группы в исходное состояние.

Функция DT. Обеспечивает возможность инициации какой-либо операции (например, измерения) отдельным прибором или группой приборов.

Из всех перечисленных интерфейсных функций любые функции в соответствующих сочетаниях могут быть включены в состав интерфейсного узла того или иного прибора, каждая интерфейсная функция, реализуемая в приборе, позволяет ему выполнять прием, передачу и определенную обработку сообщений. Вследствие этого каждая интерфейсная функция может содержать одно или несколько взаимоисключающих состояний. В группе взаимосвязанных и взаимоисключающих состояний только одно состояние может быть активным в один и тот же момент времени. Диаграммы состояний интерфейсных функций можно представить направленным графом (графом состояния). Например, функция АН может иметь состояния: прибор не готов к приему, функция АН в резерве.

Дистанционные команды разделяются на однолинейные, передаваемые каждая по своей линии, и многолинейные, передаваемые кодом по линиям DIO в сопровождении команды ATN. Однолинейными являются, например команды DAV, NDAC, REN по смыслу совпадающие с наименованием соответствующих линий. Многолинейных команд порядка 26. Их перечень и коды можно найти в справочнике: Интерфейсы систем обработки данных.Авторы Мячев А.А. и др. Изд-во Радио и связь, 1989.

Многолинейные команды делятся на первичные и вторичные. К первичным командам относятся универсальные команды, адресованные команды и адреса ПП и ПИ. Адрес команды действуют только на те функциональные устройства (приборы), которые предварительно выбраны адресом, а универсальные команды воздействующие на все функциональные устройства без предварительной адресации.

Надеюсь, вам теперь становиться понятно, почему под интерфейсом согласно ГОСТ 15971-74 понимается совокупность аппаратурных, программных и конструктивных средств.

Коды и форматы интерфейса

Рекомендации МЭК устанавливают некоторые ограничения на формат и коды передаваемых по магистрали данных, которые тем не менее достаточно полно удовлетворяют требованиям различных разработчиков приборов и систем. В стандарте любое отдельно взятое приборозависимое сообщение (измерительные, программные или управляющие данные, данные о состоянии приборов или для индикации и т.п.) представляются последовательностью байтов данных с вполне определенным началом и концом. Сообщения могут

быть сгруппированы в блоки, а блоки могут образовывать записи. Структура форматов сообщений имеет вид:

Передаваемая в сообщении последовательность байтов образует последовательность полей T, U, V, W, X, Y, Z. В поле T передается тип или качество данных (данные измерения или программа формат данных, длина поля V, перезагрузка, выход за пределы измерения и т.п.), в поле U - знак чисел или полярность данных, в поле V - данные программ и числа (мантиссы чисел), в поле W - порядок чисел, в полях X, Y, Z - разделители сообщений, блоков и записей соответственно.

Для кодирования байтов в сообщениях предписывается применение семиразрядного двоичного кода ISO (7 бит) (ГОСТ 13052-74). При передаче битов младший бит любого символа кода ISO передается по линии DIO1, следующий бит по линии DIO2 и т.д., а линия DIO8 (за исключением статус-байтов) может быть использована для контроля по четности (или по нечетности). Контроль с использованием одного разряда, передаваемого по линии DIO8, позволяет при небольших затратах обнаружить только простые ошибки - ложный бит в байте. Сбои в нескольких разрядах при этом не обнаруживаются.

Последовательность полей T, U, V, W называется строкой. Для источника или приемника она представляет собой элементарное сообщение. Последовательность строк (взаимосвязанных элементарных сообщений, обрабатываемых сообщений) называется блоком. Например, блоком передается амплитуда и фаза сигнала, время, номер канала измерений и измеренное значение напряжения сигнала. Поля X, Y служат для разделения строк внутри блока и блоков между собой, соответственно. Каждое из них длиной в один байт. Из блоков могут составляться записи. Записи отделяются друг от друга полем Z длиной в один байт. Записи могут образовывать файлы, но разделитель записей Z определен стандартом МЭК как ограничитель наивысшего порядка.

Строка программных и управляющих данных обычно состоит из полей T, V. Ввиду большого разнообразия требований, зависящих от конкретных приборов, твердый формат для программных данных не регламентирован. Единственным обязательным полем для программных и управляющих данных является поле T. Поэтому в нем всегда должен присутствовать хотя бы один символ.

Физическая реализация интерфейса

Указания стандарта по физической реализации интерфейса направлены на обеспечение электрической и конструктивной совместимостей объединяемых приборов и функциональных устройств.

Элементная база. На элементную базу аппаратных средств накладывается одно ограничение - магистральные приемники и передатчики должны быть интегральными схемами транзисторно-транзисторной логики, т.е. ТТЛ-схемами. Элементная база интерфейсных узлов и узлов сопряжения может быть любой, но сопрягаемой, с одной стороны, со схемами магистральных приемников и передатчиков, а с другой - со схемами, реализующими приборные функции.

Требования к передающей и приемной частям приборов. С целью уменьшения колебаний импеданса (полного сопротивления) в линиях шин и сохранения в норме уровней сигналов в этих шинах при изменениях выходного сопротивления передающих каскадов к каждой сигнальной линии магистрали во всех приборах подключается нагрузочный резистор. Тем самым устанавливают собственный импеданс (внутреннее сопротивление) каждой линии и одновременно повышают помехоустойчивость приема.

Типовая схема присоединения приемо-передающих частей прибора к сигнальной линии магистрали (СЛМ) с нагрузочным делителем имеет вид. Здесь МПд - магистральный передатчик, МПр - магистральный приемник. Внутренняя емкостная нагрузка С каждой сигнальной линии в устройстве не должна превышать 100 пФ. Для ограничений отрицательных напряжений к входному зажиму линии в приборе подключают диод Д.

Нормативы на параметры входных и выходных сигналов. Стандарт ограничивает напряжения на входах магистральных приемников: сигнал низкого уровня ≤0,8 в (логическая 1), сигнал высокого уровня ≥2,0 (логический 0).

В качестве соединителя в интерфейсе должна использоваться разетка или вилка разъема типа РПМ7-24 на 24 контакта.

Выполнение всех требований стандарта на интерфейс IEC гарантирует скорость обмена информацией 250 Кбайт/с. Скорость в 1 Мбайт/с является потенциально достижимой

Список использованной литературы

1.       Минаси М. Графический интерфейс пользователя. Секреты программирования - М.: «Мир», 1996.

.        Исследование вопросов организации работы интерфейсов информационных систем: методические указания к лабораторным работам / Рязн. гос. радитехн. ун-т; сост.: В.В. Александров, А.И. Курбатова, А.П. Хлопков. Рязань, 2011. 28с.

.        Прибороно-модульные универсальные автоматизированные измерительные системы/Под ред. В.А. Кузнецова. М.Ж Радио исвязь, 1993

.        Лагутенко О.И. Модемы. Спарвочник пользователя-СпБ.: «Лань», 1997.