Interfete Digitale Pentru Calculator

INTRODUCERE

Pornind de la definiția unei interfețe care reprezintă o porțiune a unui sistem care are rolul de a facilita comunicarea. Dacă facem referire în cazul tehnologiei calculatoarelor, termenul de interfață poate fi interpretat ca și un punct de interacțiune între două unități, dispozitive sau componente ale unui sistem care este compatibil atât din punct de vedere hardware cât și software spre ambele părți de comunicare uni- sau bi-direcțional. Deci, putem spune că denumirea de interfață poate fi uzual interpretat ca și suprafața de margine pentru facilitarea comunicației.

Cu ajutorul unei interfețe se poate face schimb de date între două unități, acest lucru putându-se realiza prin mărimi fizice și anume tensiuni, curenți.

Ca și domenii de aplicație putem enumera:

Interfețe de date(se face transmitere de informație de date)

Interfețe de hardware

Interfețe de rețea

Interfețe software(programe sau părți ale unor programe prin care un sistem soft se pune la dispoziția altor programe pentru o utilizare a sistemului)

Interfețe de utizator (facilitează comunicarea dintre om și mașină)

O bună funcționare a comunicației prin intermediul interfețelor necesită respectarea unui număr imens de norme(reguli) impuse pentru asigurarea unui nivel înalt de calitate a aplicațiilor.

Obiectul principal al proiectului de diplomă este acela de prezentare a interfețelor PC, a plăcilor de extensie utilizate în interfațare respectiv realizarea unor simulării în mediul de programare Matlab cu aceste interfețe.

Primul capitol întitulat “Interfețe digitale pentru PC” cuprinde informații referitoare la principalele interfețe digitale pentru calculatoare prin prezentarea standardelor care le îndeplinesc, rata de transfer a informației, viteza de transfer.

În capitolul al doilea numit “Plăci de extensie pentru interfața digitală și analogică cu calculatorul” se prezintă o serie de plăci de extensie, pornind de la placa de bază până la principalele interfețe PC utilizate în arhitectura calcultoarelor.

Următorul capitol descrie principalele interfațări de proces prin anumite componente electronice atât pentru interfețe digitale cât și pentru cele analogice.

Capitolul patru conține mai multe simulări realizate cu ajutorul programului Matlab, prin prezentarea propriu-zis a linilor de program utilizate pentru simularea cu interfețe PC. Ultimul capitol cuprinde concluzile referitoare la importanța interfețelor PC respectiv la importanța simulării cu acestea.

CAPITOLUL I

INTERFEȚE DIGITALE PENTRU CALCULATOR

O interfață digitală se referă la tehnologia care permite interconectarea între mai multe piese dintr-un echipament. Cu alte cuvinte, dispozitivele hardware pot comunica unele cu altele și să accepte interfețe audio și video într-o varietate de forme.

Interfețele digitale, în general se referă la familia de interfețe video standardizate. De exemplu standardul ITU-R și SMPTE definesc acele interfețe video care fac parte și sunt utilizare în categoria de broadcast. Un alt standard cunoscut HD-SDI(high-definition serial digital interface) standardizat în SMPTE 292M, acesta este prevăzut cu o rată de transfer de date nominală de 1.485Gbps.

Una din interfețele aflate în curs de dezvoltare, cunoscută ca și legătură dublă HD-SDI(dual link HD-SDI), aceasta constând într-o pereche de legături SMPTE 292M, fiind standardizată în SMPTE 372M; aceasta este prevăzută cu o rată de transfer a datelor nominală de 2.970 Gbps și este utilizată în cadrul aplicațiilor care necesită o rezoluție respectiv o fidelitate mai ridicată decât poate oferi HDTV standard. O interfață mai recentă este 3G-SDI, aceasta asigură o singură legătură serială de 2.9Gbps și este standardizată în SMPTE 424M care înlocuiește perechea de legături HD-SDI.

Standardele utilizate de aceste interfețe sunt folosite pentru a transmite semnale video digitale necriptate și necomprimate, pot include opțional audio și time code în transmisia de televiziune și pot fi utilizare și pentru o bună transmitere a datelor. Acestea sunt proiectate pentru operare pe distanțe mici (<300m cu cablu coaxial), din pricina faptului că ratele mari de date transmise nu sunt destul de potrivite pentru transmisii pe distanțe foarte mari. SDI și HD-SDI în prezent, sunt diponibile numai în arhitectura echipamentelor video profesionale, ale diferitor acorduri de licență care și restricționează folosirea interfețelor digitale în echipamentele profesionale necriptate, duc la oprirea folosirii echipamentelor de consum.[1]

1.1 Interfața electrică

Toate standardele de interfață digitală au în componență cabluri coaxiale respectiv un conector BNC, cu o impedanță nominală de 75ohm. Folosesc același tip de cablu coaxial utilizat pentru video analogic, ceea ce face o mai ușoară schimbare tehnologică(deși putem spune că ar trebui cabluri cu o calitate mai mare pentru distanțe sau/și rate de transfer de biți mai mare). Amplitudinea semnalului de la sursă este de 800mV având o toleranță de ±10% vârf la vârf, din cauza atenuării la recepție se pot măsura valorii de tensiune mult mai mici. De aceea, la nivel de recepție se folosesc egalizatoare ducând la transmiterea de 270Mbit/s SDI la distanțe mai mari de 300m fără utilizarea de repetoare, însă de preferat este utilizarea de distanțe mult mai mici. De exemplu, pentru HD ratele de biți sunt pe lungimi mai mici de 100m.

Se transmit pe componentele necomprimate semnale digitale, datele sunt codate în formatul NRZI respectiv registrul cu răspuns liniar pentru deplasare folosit pentru codarea datelor, pentru reducerea posibilității de apariție de șiruri de 0 si 1. Pentru acestea nu este nevoie de semnale de tact sau de sincronizare, aceste semnale sunt refăcute în mod automat iar încadrarea este făcută prin detectarea unui șablon de sincronizare special care este prezent în semnalul digital, este compus din o secvență de 10 de 1 urmată de 20 de 0(în HD 20 de 1 urmat de 40 de 0).

Pentru toate interfețele digitale, pentru codarea culorilor fluxul de date este 4:2:2 YCbCr. Canalul de luminanță(Y) este de bandă întreagă (13.5MHz la 270 MBit/s SD, iar 75MHz la HD), cu cele două canale de crominanță (Cb și Cr) subeșantionate pe orizontală și codate doar la jumătate de bandă(6.75 MHz sau 37.5MHz). Cele 3 eșantioane Y, Cb, Cr sunt extrase la aceleași momente de timp iar Y1 este extras la jumătatea timpului dintre cele două eșantioane Y.

1.2Interfețe digitale. Prezentare generală

Principalele interfețe digitale sunt:

Figura 1.1 Interfețe digitale[2]

EVC (Enhanced Video Connector) este un standard VESA cu scopul de a reduce numărul de cabluri în jurul unui caculator prin încorporarea video, audio, FireWire și USB într-un singur sistem de cablu. Intenția acestei interfețe este aceea de a face monitorul punct central de conexiune. Deși această idee nu a fost în favoarea producătorilor de computere, această interfață a evoluat în ceva mai popular VESA Plug and Display.

Un conector VESA EVC are capacitatea de a transporta semnal video-analogic de la ieșire (pe bază de VGA), intrare video, FireWire, semnale audio(stereo analogic), și USB. Acesta poate fi distins de un conector Plug prin faptul că are forma unui trapez isoscel.

DFP(Digital Flat Panel) este o interfață standard care prevede un conector video și semnalizare pentru ecranele plate. Aceasta are 20 de pini și utilizează protocolul PanelLink. Spre deosebire de DVI, DFT nu se realizează niciodată pentru a se pune în aplicare pe scară largă. Conectorul poate fi utilizat la ecrane cum ar fi: Compaq Presario FP400, FP500, FP700, FP720, 5204, 5280. Aceasta a fost oferită pe plăci grafice, cum ar fi Xpert LCD și Rage LT Pro de la ATI technologies Inc.

DFP a fost înlocuit de DVI din cauza rezoluției mici de 1280 x 1024(SXGA), în timp ce DVI suportă rezoluții mult mai mari.

Digital Visual Interface (DVI) este o interfață digitală de afișare video dezvoltată de DDWG(Digital Display Working Group). Această interfață digitală este folosită pentru conectarea unei surse video, cum ar fi un controler de afișare pentru un dispozitiv de afișare, cum ar fi un monitor de calculator. Această interfață a fost dezvoltată cu intenția de a crea un standard industrial pentru transferul video digital.

Interfața este astfel proiectată pentru a transmite semnale video digitale necomprimate și poate fi configurat pentru a susține mai multe noduri, cum ar fi DVI-D(doar digital), DVI-A(doar analogic), sau DVI-I(digital și analogic). Oferind suport pentru conexiuni analogice, specificațiile interfeței DVI sunt compatibile cu interfața VGA. Această compatibilitate împreună cu alte avantaje, a condus la acceptarea pe scară largă peste standardele concurente de afișare digitală Plug & Display sau DFT. Deși DVI este în principal asociată cu calculatoare, uneori este utilizată în alte electronice de larg consum, cum ar fi televizoare, console de jocuri video și DVD playere. Formatul de transmisie video digital DVI se bazează pe protocolul PanelLink, un format de serie dezvoltat de Silicon Image, care utilizează o legătură serială de mare viteză numită tranziție de semnalizare diferențială minimizată(TMDS). Ca și conectori moderni analogici VGA, conectorul DVI include pini pentru canalul de date de afișare (DDC). O versiune mai nouă de DDC numit DDC2 permite adaptorului grafic să citească datele de identificare a monitorului de afișare extinse(EDID). În cazul în care un ecran suportă semnale atât analogice cât și digitale într-o intrare DVI-I, fiecare metodă de introducere poate găzdui un EDID distinct. Deoarece DDC poate susține doar un EEID, nu poate fi o problemă dacă ambele intrări digitale și analogice din portul DVI-I detectează activitatea.

Lungimea maximă recomandată pentru cabluri DVI nu este inclusă în caietul de sarcini, deoarece este dependentă de frecvență. În general, lungimea cablului pornește de la 4.6m care lucrează pentru rezoluții de afișare de până la 1920 x 1200. Cablurile lungi pot ajunge până la 15m și pot fi utilizate cu rezoluții de afișare de 1280 x 1024 sau mai mici. Pentru distanțe mai mari, este recomandat să se utilizeze un repetor care utilizează o sursă de alimentare externă pentru a ajuta la atenuarea degradării semnalului.

HDMI (High Definition Multimedia Interface) este interfață audio/video compactă pentru transferul de date video necomprimate și date audio digitale comprimate sau necomprimate de la un dispozitiv de sursă HDMI compatibil, cum ar fi un controler de afișare la un monitor de calculator compatibil, video-proiector, televiziune digitală sau dispozitiv audio digital. HDMI este un înlocuitor pentru standardele video analogice existente.

HDMI implementează standardele EIA/CEA-861, care definesc formate video și forme de undă, transport de date comprimat, necomprimat, precum și LPCM audio și implementări ale VESA EDID. CEA-861 semnale efectuate de către HDMI sunt compatibile electric cu CEA-861 semnale utilizate de către interfața video digitală(DVI). Nici o conversie a semnalului nu este necesară și nici nu există pierderi în ceea ce privește calitatea video atunci când este utilizat un adaptor DVI – HDMI. CEC(Control Consumer Electronics) are capacitatea de a permite dispozitivelor HDMI de a se controla reciproc atunci când este necesar și permite utilizatorului să opereze mai multe dispozitive cu un singur receptor tip telecomandă.

Mai multe versiuni ale HDMI au fost dezvoltate și implementate de la lansarea inițială a tehnologiei, dar toate folosesc același cablu și conector. Versiunile mai noi suportă caracteristici mai avansate cum ar fi 3D, o conexiune de date Ethernet respectiv îmbunătățirea capacității audio-video, performanța și rezoluția.

HDMI este compatibil cu DVI. Nu este necesară o conversie a semnalului atunci când se utilizează un adaptor sau cablu asimetric, astfel încât nu există nici o pierdere în ceea ce privește calitatea video. Din perspectiva utilizatorului, un afișaj HDMI poate fi condus de un DVI-D deoarece HDMI și DVI-D definesc un set minim de suprapunere a rezoluții și cadre pentru a asigura un nivel de bază de interoperabilitate. În cazul invers, un monitor DVI-D ar avea același nivel de interoperabilitate de bază, dacă nu există probleme de protecție a conținutului sau codificarea componenței culorilor HDMI este prezentă în componenta YCbCr care nu este suportată de DVI. O sursă HDMI cum ar fi un player Blu-ray poate refuza un conținut protejat la un ecran neconform. O altă complicație este faptul că există o cantitate mică de echipamente de afișare, cum ar fi unele high-end proiectate cu intrări HDMI dar nu compatibil HDCP.[2]

Orice adaptor DVI – HDMI poate funcționa ca un adaptor HDMI – DVI și invers. De obicei, singura limitate este genul de conectori a adaptorului și de genul de cabluri și prize folosite. Caracteristicile specifice pentru HDMI cum ar fi distanța de control și de transport audio, nu sunt disponibile în dispozitive care utilizează semnalizare DVI-D. Cu toate acestea, multe dispozitive de ieșire HDMI pe un conector DVI (de exemplu ATI 3000-serie și NVIDIA GTX 200 din seria plăcilor video), și anumite ecrane multimedia pot accepta HDMI (inclusiv audio) pe o intrare DVI. Capacitățile exacte dincolo de compatibilitatea de bază variază de la produs la altul, în general adaptoarele sunt bi-direcționale.

CAPITOLUL II

Plăci de extensie pentru interfața digitală și analogică cu calculatorul

2.1 Plăci de extensie

Comunicarea dintre sistemele de calcul și mediul exterior se asigură prin adăugarea la magistrala PC-ului a plăcilor de extensie sau cum mai sunt numite plăci utilizator. Plăcile de extensie sunt realizate pentru asigurarea a mai multor funcții specifice. Aceste plăci de extensie se clasifică în modul următor:

Plăci de achiziție pentru uz general

Plăci IN-OUT digitale(compatibile cu TTL sau optocuploare)

Plăci de ieșire digitale formate din relee pentru comandarea unor instrucțiuni de execuție

Plăci cu extensie de memorie

Plăci cu interfață IEEE 488

Placa de rețea

Placa modem

Plăci pentru comunicații seriale(RS-232, RS-485)

Plăci de achiziție multifuncționale

Plăci pentru măsurări(multimetre)[3]

Pentru a conecta o placa de extensie, fiecare PC este prevăzut pe placa de bază cu un anumit număr de conectoare pentru extensii. Trebuie avut în calcul faptul că pe lângă numărul de conectoare este important ca dimensiunile plăcilor de extensie să fie admisibile precum și puterea de la sursa de alimentare a calculatorului personal.

Plăcile de extensie se conectează prin intermediul magistralei de extensie la placa de bază a PC-ului. Datorită evoluției tehnologice foarte avansate a echipamentelor, sunt disponibile mai multe categorii de plăci de bază, de magistrale și plăci de extensie.

În continuare, pentru utilizarea corectă a plăcilor de extensie vom parcurge o scurtă prezentare a plăcilor de bază.

2.2 Tipuri de plăci de bază

Proiectarea PC-urilor moderne este un compromis între două teorii larg dezbătute: prima teorie este cea a calculatoarelor care se orientează pe magistrală care sunt realizate prin montarea componentelor importante și esențiale ale PC-ului pe o placă.

O placă de bază a unui calculator personal cuprinde componentele de care nu ar putea funcționa: microprocesorul, memoria și circuitele care asigură funcțiile audio și video. Componentele care se doresc a fi puse la calculator se conectează la magistrala de extensie care face parte din placa de bază, fiind o componentă fundamentală care definește PC-ul.

Ca și denumire, în afară de ceea cunoscută de placă de bază, se mai întâlnesc și denumirile de placă de sistem sau placa mamă sau placa principală. Pe lângă faptul că este un suport fizic esențial pentru PC, placa de bază trebuie să permită și o formă de extindere. De aceea, aceasta conține anumite conectoare speciale numite conectoare de extensie care ajută la conectarea plăcilor de extensie. Suprafața ocupată de placa de extensie se numește slot, iar proiectarea spațiilor de extensie se face conform unor standarde.

Evoluția plăcilor de bază a fost una accelerată, pornind de la prima placă de bază pentru PC-uri care a fost cea folosită de Personal Computer lansat de IBM. Aceste plăci aveau dimensiunile de 8.5 x 11 inci și aveau 5 sloturi de extensie în partea din stânga spate, montate la un interval de 1 inci între ele. Deoarece producătorii doreau să proiecteze, să dezvolte PC-uri cât mai puternice, IBM a dezvoltat placa de bază AT cu dimensiuni de 13.5 x 12 inci. Acest tip de placă cu timpul a devenit un standard la sfârșitul anilor ’80.

Figura 2.1 Dimensiunile plăcii de bază XT[3]

Pentru aducerea unei uniformități în realizarea plăcilor de bază, industria PC-urilor a dat naștere unui nou standard care în mare păstrează dimensiunile plăcii XT însă aduce noi tehnici de inovare și desigur și costuri mai mici, acest standard se numește ATX. Dimensiunile standardului ATX sunt de 9.6 x 12 inci. Acest tip de placă permite utilizarea tensiunilor de alimentare de 5V sau de 3.3V(câte una sau simultan).

Figura 2.2 Placa de bază ATX

2.3 Tipuri de plăci de extensie

Teoretic o placă de bază poate conține toate circuitele necesare pentru realizarea unui PC, iar posibilitatea de inovare sau de îmbunătățire a acestora extinde conceptul de PC. Plăcile care conțin circuite imprimate care ulterior se inserează în placa de bază se numesc plăci de extensie. Aceste plăci de extensie se diferențiază prin standardul pe care îl respectă sau în funcție de tipul conectorului. De exemplu, placa de extensie ISA respectă standardul Industry Standard Architecture, iar o placă PCI respectă standardul Peripheral Component Interconnect. Plăcile de extensie mai pot fi întâlnite ca și plăci utilizator sau plăci fiică.

Fizic, o placă de extensie este o placă imprimată realizată în tehnologie de montare pe suprafață (SMT) sau în tehnologii combinate. Placa de extensie se conectează la placa de bază prin conector de extensie, iar printr-o bridă de prindere se fixează placa în interiorul calculatorului și raportează spațiu necesar pentru conectoarele periferice.

Plăcile de extensie trebuie să fie standardizate și de asemenea să fie compatibile fizic, electric, logic cu plăcile de bază pe care acestea sunt instalate. În primul rând o placă de extensie trebuie să încapă în calculator, acest lucru semnifică faptul că standardele dictează dimensiunile pe care plăcile trebuie sa le aibă.

Plăcile ISA sunt întâlnite sub denumirea de plăci scurte deoarece au lungimea mai scurtă, placa de extensie nu ajunge la ghidaje. Plăcile ISA actuale se limitează la o lungime de 13 inci. Din punct de vedere al înălțimii, se întâlnesc plăci ISA de înălțime XT de 4.2 inci și plăci ISA de înălțime AT de 4.8 inci.

Figura 2.3 Dimensiunile plăcilor de extensie ISA de înălțime XT

Figura 2.4 Dimensiunile plăcilor de extensie ISA de înălțime AT

Deoarece carcasele proiectate pentru plăcile XT nu acceptă plăci de înălțime AT înălțimea plăcii are un rol foarte important.

Plăci PCI. Standardul PCI definește mai multe variante ale plăcilor de extensie. O placă PCI cu dimensiuni standard măsoară 12 x 4.2 inci. Implementarea pe 64 biți a plăcilor PCI a extins conectorul de margine pentru a include semnale suplimentare.

Figura 2.5 Dimensiunile plăcii de extensie de tip PCI cu operare la 5V

Figura 2.6 Conectorul de margine PCI universal pe 64 biți

2.4 Interfața RS-232

Numeroase aparate utilizează conectarea la calculator prin intermediul interfeței seriale RS-232. Norma clasifică aparatele în două categorii:

DTE( Data Terminal Equipments) – din această categorie fac parte PC-ul, tastatura.

DCE(Data Communication Equipments) – alcătuit din modem, aparate de măsură.

Modul de conectare poate să difere de la un aparat la altul. În principiu, se poate conecta numai un singur aparat la o interfață serială. Programarea modului de comunicație poate fi, de asemenea, foarte diferită. De aceea, nu se poate vorbi de un standard. În forma minimală, o conexiune serială RS-232 se compune din numai 3 conductoare:

1. RXD (Receive Data), conductorul pentru semnalul de recepție;

2. TXD (Transmit Data), conductorul pentru semnalul de emisie;

3. GND (Ground), conductorul de masă.

Modul de legare a conductoarelor RXD și TXD la portul calculatorului depinde de multe ori de aparatul utilizat. Siguranța în transmisia datelor poate fi mai mare dacă se introduce o comunicație de tip handshaking. În acest caz se utilizează, pe lângă semnalele RXD și TXD (semnale de date), și semnalele RTS (Request To Send) și CTS (Clear To Send). RTS (cerere de emisie) și CTS (autorizare de emisie) sunt semnale care generează funcționarea half-duplex (HDX) – de exemplu, a liniei telefonice.

Calculatorul semnalizează modem-ului prin RTS că are un caracter de transmisie; transmisia este posibilă atunci când semnalul CTS este primit PC. O siguranță superioară în transmisia datelor se obține prin utilizarea de semnale DTR (Data Terminal Ready) și DSR (Data Set Ready). Prin aceste semnale receptorul este anunțat de faptul că emițătorul este pregătit să trimită datele. Astfel, DTR poate fi perceput pentru receptor ca un semnal de BUSY.

Siguranța unei transmisii este determinată de lungimea cablurilor de legatură (maximum 2 x 15=30 m), de nivelul de tensiune al semnalelor și de viteza de transmitere a informației.

Nivelele de tensiune pentru interfața RS-232 sunt:

HIGH: -15 V (-25 V);

LOW: +15 V (+25 V).

Intervalul de la -3 V la +3 V nu este permis.

2.5 Interfața I2C

Pentru explorarea similarităților care există între proiectele și echipamentele proiectate de diverși utilizatori, cat și pentru maximizarea eficienței hardware-ului și pentru simplificarea proiectării circuitelor, a fost concepută o magistrală bidirecțională pe două fire, cu scopul de eficeientizare a controlului interconectării asupra circuitelor integrate. Acestă magistrală se numește INTER IC sau I2C. În prezent, această magistrală poate cupla mai mult de 150 de tipuri de circuite integrate, realizate în tehnologie CMOS sau bipolară, realizează funcții în domeniul controlului inteligent, a circuitelor integrate de uz dedicat (driver-e pentru afișaje cu cristale lichide, porturi de intrare-ieșire, memorii RAM și EEPROM, convertoare) și a circuitelor orientate pe aplicații (procesare de semnale pentru sisteme radio și video, generatoare DTFM pentru telefonie, etc.). Toate circuitele compatibile I2C încorporează o interfață care permite o intercomunicație foarte rapidă cu ajutorul acestui tip de magistrală.

Dintre caracteristicile generale ale magistralei I2C putem menționa:

magistrala conține doar două linii: o linie serială de date (SDA) și o linie de ceas serial (SCL);

fiecare dispozitiv conectat la magistrală este adresabil prin software, având o adresă unică; pe magistrala I2C se manifestă, la orice moment de timp, o relație de tip master-slave;

magistrala I2C este o magistrală multi-master, include detecția conflictelor și arbitrarea acesteia, previne alterarea informației în cazul în care două sau mai multe dispositive maseter efectuează transfer de date simultan;

transferurile bidirecționale de date, cu lungimi de 8 biți, pot fi efectuate cu rate de transfer de 100 kbiți pe secundă, în mod standard, sau cu o viteză de maxim 400 kbiți pe secundă, în modul rapid;

numărul de dispozitive cuplabile pe aceeași magistrală I2C este limitat de capacitatea maximă suportată de aceasta de 400 pF.

Circuitele integrate compatibile cu magistrala I2C permit o dezvoltare rapidă a proiectării începând de la schema bloc funcționașă la prototiă, asigurând o serie de avantaje și anume:

structura extrem de simplă a magistralei (2 fire) minimizează interconexiunile cu exteriorul;

protocolul complet integrat al magistralei I2C elimină folosirea decodificatoarelor de adrese și a unei logici externe, suplimentare;

capabilitățile de multimaster ale magistralei I2C permit testarea rapidă și alinierea utilizatorilor, prin utilizarea unor conexiuni externe, la un sistem de calcul;

disponibilitatea circuitelor integrate I2C sub amprente de tip SO (Small Outline), VSO (Very Small Outline) și DIL (Dual In Line) reduce necesitățile de spațiu.[3]

2.5.1 Specificațiile interfeței I2C

Pentru aplicații de control industrial pe 8 biți, care necesită utilizarea unor microcontroller-e, pot fi stabilite a priori anumite criterii de proiectare:

un astfel de sistem este compus din cel puțin un microcontroller și din alte dispozitive periferice, ca de pildă memorii și circuite de intrare-ieșire;

criteriul principal de proiectare constă în minimizarea costului de interconectare a diferitelor dispozitive din componența sistemului;

un sistem care asigură o funcție de reglare (control) într-un proces nu necesită rate mari ale transferurilor de date;

eficiența globală a sistemului depinde de natura circuitelor utilizate și de structura magistralei de interconectare a acestora.

Figura 2.7 Exemplu de sistem organizat în jurul magistralei I2C[3]

Pentru satisfacerea acestor criterii, utilizarea unei magistrale seriale este foarte necesară chiar dacă nu permite transferul mare de date ca o magistrală de tip paralel.

2.6 Interfața USB

Interfața USB (Universal Serial Bus) a fost proiectată cu scopul de simplificare a procedurii de conectare a dispozitivelor periferice la PC astfel crescând viteza de transmisie printr-o comunicație de tip serial cu valori de până la valori de 12 Mbit/s. Această interfață necesită o conectare mai facilă, acest lucru impune însă utilizarea unui protocol mai complex, pentru păstrarea eficienței și transparenței față de utilizator.

USB este deja recomandat pentru noua generație de PC-uri compatibile IBM de către PC’98 System Design Guide și este, deja inclus ca driver în sistemul de operare Windows 98.

Suportul hardware este constituit dintr-o conexiune pe patru conductoare, dintre care două sunt pentru alimentare (Vbus) respectiv masă (GND) iar celelalte două pentru transferul de date (D+ și D-). Prin intermediul USB se pot conecta simultan la un PC până la 126 de periferice cu avantajul de reducere al costului și a spațiului alocat pentru placa de bază a PC-ului(PCB) prin faptul că elimină necesitatea folosirii unui port suplimentar cum sunt cele ale tastaturii sau porturi seriale clasice. Marele avantaj al acestei interfețe constă în costul scăzut și datorită vitezei (12 Mbit/s în așa-numitul “full-speed mode”) viteză care permite transferul semnalelor de voce sau video comprimat în timp real.

La sfârșitul anului 1999 a fost lansată oficial varianta USB2.0 care permite un transfer de până la 120, respectiv 240 Mbit/s.

Arhitectura USB conține trei elemente principale – gazda (host), conectorii (hubs) și perifericele (devices). Conexiunea utilizează topologia “tiered-star” și eset structurată în nivele, deci poate avea 5 distribuitoare (hub tiers). În mod uzual, controller-ul gazdă (host controller) și hub-ul principal (de root) sunt implementate pe un același chip pe placa de bază a PC-ului. Controller-ul gazdă controlează transmisiile prin sistemul USB. Există două tipuri de host controllers: OHCI (Open-Host Controller Interface) și UHCI (Universal Controller Host Interface). Din punct de vedere al aplicațiilor, OHCI poate gestiona multiple tranzacții pentru un anumit periferic End Point (EP) într-un interval de 1 ms. Pe de altă parte, UHCI permite câte o tranzacție pentru fiecare EP în fiecare cadru de aplicație (frame). Pachetele software ale echipamentelor USB trebuie să fie capabile să gestioneze comunicația cu fiecare dintre aceste tipuri de controller-e.

Un distribuitor principal acționează ca un port care se poate atașa echipamentului USB astfel permițând multiple conexiuni la sistemul USB și are rol de detectare a momentelor în cazul în care echipamentele sunt conectate sau deconectate de la sistem. De asemenea, poate transmite mai departe traficul pe bus dintre portul trece-sus și porturile trece-jos.

Fiecare echipament care conține USB are alocat numere EP. Numărul EP0 este rezervat pentru a configure echipamentele de gazdă. Acesta asigură un punct de comunicație către gazdă pe baza descriptorilor EP. Descriptorii EP comunică atributele echipamentelor respectiv caracteristicile acestora gazdei. În conformitate cu aceste date, gazda configurează echipamentul și alocă driver-ului un soft corespunzător.

Celelalte EP se pot considera a fi funcții ale echipamentelor și pot fi configurate separate pentru un oricare alt tip de transfer pentru comunicarea cu gazda. De exemplu, o aplicație de tastatură, care se clasifică în standardul USB “Human Interface Device”, HID, folosește EP0 pentru configurarea echipamentului (tastaturii) și poate folosi EP1 ca un transfer pe întreruperi pentru trimiterea datelor (key-scanned data) către gazdă.[3]

USB suportă 4 tipuri de transfer de date:

Control transfer – comenzi de cereri de transfer de la gazdă către echipament;

Interrupt transfer – transfer de date de la un interrupt driver device către gazdă;

Bulk trasfer – transferul unei cantități mari de date;

Isochronous transfer – pentru aplicații care necesită rate de transfer constante.

Figura 2.8 Structura generală a unei interfețe USB[3]

2.7 Interfața Centronics

Interfața dezvoltată de firma Centronics pentru transmiterea comenzilor către imprimantă. Se caracterizează printr-un mod de lucru în care acceptă un transfer paralel al datelor, la o distanță maxima între echipamente interconectate prin interfața este de 8m, din cauza limitărilor cu privire la distorsionarea semnalelor cauzată de capacitatea conductoarelor liniare. Una din soluțiile disponibile este aceea de dispunere a conductoarelor de semnal împreună cu conductoarele de masă prin răsucirea acestora. Datorită acestui impediment, mulți dintre producători de imprimante recomandă o distanță între PC și interfețe de 3m. Această interfață dispune de o viteza de transfer de peste 1Mbps, practic fiind dependentă de hardware. Pentru atingerea vitezei menționate este nevoie de o distanță maximă de 1m între echipamentele interconectate. Interfața folosește nivele de tensiune TTL, acest lucru facilitează utilizarea acesteia în diverse aplicații.

Figura 2.9 Dispunerea pinilor portului Centronics: a. cu 36 de pini; b. cu 25 de pini[3]

Principalele semnale specifice interfeței sunt:

Strobe (linie activă): această linie se activează de către PC atunci când se dorește să se transfere datele spre exterior

Data 1 – data 8: reprezintă linii de date

Acknoledge – se utilizează în cazul în care echipamentul exterior a ajuns în posesia datelor care sunt transmise, apoi transmite semnalul pentru înștiințare având durata de 30µs.

Busy: se recomandă atunci când la apariția unei erori în timpul în care imprimanta preia informațiile, este folosită în procesul de imprimare sau când este activată starea off-line, acest lucru activează semnalul.

Paper Empty: acest semnal rămâne activ până când senzorul detectează prezența colilor de hartie.

Select : prin intermediul acestui semnal, imprimanta furnizează răspunsul la faptul că este activă și accesată.

Figura 2.9 Diagrama semnalelor pentru interfața Centronics[3]

2.8 Interfata seriala FireWire IEEE-1394

Interfața IEEE 1394 este interfața serială denumită și FireWire(Apple), i.LINK(Sony) respective LYNX(TI). Aceasta a fost adoptată de HANA(High Definition Audio Video Alliance) ca fiind interfață standard disponibilă și wireless, fibră optică sau cablu coaxial.

Dezvoltarea interfeței a început în anul 1980 și s-a încheiat în 1995. Cu toate că această interfață nu are răspândire ca și USB, multe dintre camerele digitale sunt echipate cu această interfață.

De astfel, ca la toate comunicațiile seriale transferul de informație se bazează pe pachete. Canalul comun de date este conceput astfel pentru a se putea folosi pe rând de fiecare aparat care îl solicită. La un interval de timp specificat(fairness interval) fiecare dispozitiv are acces comun la canalul de date. După ce se trimit pachetele de date de către dispozitiv se așteaptă trecerea unui timp de separare după care se transmite un alt pachet. Dacă după trecerea timpului de separare nici un dispozitiv nu mai are de transmis pachete atunci urmează o secvență de reset.

Pentru o bună funcționare a dispozitivelor care necesită un flux de date interfața IEEE-1394 utilizează un mod de transfer special numit modul izocron la fel ca și USB. Dispozitivele care au date izocrone la fiecare 125ps emit un pachet de temporizare special pentru a asigura o prioritate a transferului, această schemă asigură un minim de buffer-e pentru datele video și audio(pentru datele video până la 6 bytes iar pentru datele audio 1 bytes).

Principalele avantaje ale interfeței:

Capacitatea de a avea până la 63 de dispozitive conectate în serie la un singur port.

Transferul datelor se realizează la o viteza de 400MO (megaocteți) pe secundă.

Cablurile sunt foarte fine.

Se pot lega împreună mai multe dispozitive în modalități diferite fără cerințe complicare de configurare.

Conectarea dispozitivelor compatibile fără utilizarea unui PC.

Pentru transferul și stocarea datelor în pachete se utilizează comunicarea asincronă.

Pentru transmisiuni video sau voce în timp real sau alte programe ca sunt compatibile pentru transferul de date în flux utilizează comunicarea izocronă.

Se pot conecta dispozitive aflate la o distanță de până la 4.5m.

Figura 2.9 Arhitectura interfeței IEEE – 1394[4]

Figura 2.9 Versiunile interfeței IEEE – 1394[4]

Una din aplicațiile este în care poate fi utilizată interfața IEEE-1394 pe Windows XP. Windows XP are încorporat suport IEEE 1394. Pentru utilizarea toate capacitățile interfeței PC-ul trebuie să aibă instalat un adaptor specific pentru IEEE 1394. Principalele caracteristicii ale PC-urilor bazate interfața IEEE 1394 cu Windows XP sunt următoarele:

Conexiunea la rețea se face imediat prin conectarea a mai multor PC-uri fără necesitatea software sau hardware suplimentar.

Transfer de date între extremități de 50Mbps, cu lățime de bandă rămasă liberă pentru solicitările programelor audio-video.

2.9 Interfața serială SPI

Interfața SPI este o interfață de mare viteză ce funcționează în modul full duplex. Aceasta este folosită ca și sistem de magistrala sincronă pentru a transmite datele acolo unde circuitele digitale se pot interconecta pe baza principiului master-slave. Modul master/slave se referă la faptul că circuitul digital master inițiază cuvântul de date, iar mai multe circuite slave putând fii permise cu selectare individuală sau slave select individual.

Figura 2.10 SPI bus: single master și single slave[5]

Interfața SPI dispune de 4 semnale logice:

SCLK – ceas serial la ieșire din master.

MOSI/SIMO – Master Output, Slave Input la ieșire din master.

MISO/SOMI – Master Input, Slave Output la ieșire din slave.

SS – Slave select la ieșire din master.

Interfața SPI operează cu ajutorul unui singur dispozitiv master și unul sau mai multe dispozitive slave. Dacă se utilizează un singur dispozitiv slave pinul SS este setat pe nivelul logic low, acest lucru se realizează dacă dispozitivul permite. Pentru selecție unele slave-uri utilizează o tranziție de la nivelele înalte la cele joase ale slave-selectului pentru inițierea unei acțiuni, la fel ca și circuitul CAN. Aproape toate circuitele slave dispun de 3 stări logice, astfel semnalul MISO devine deconectat când dispozitivul nu este selectat. Dispozitivele care nu au trei stări logice nu pot participa la interfața SPI cu alte dispozitive ci doar acele slave-uri pot comunica cu master-ul dacă au activat chip-selectul.

Pentru transmisia datelor, mai întâi se configurează ceasul prin utilizarea unei frecvențe mai mică sau egală decât maximul frecvenței suportată de slave. Frecvențele folosite sunt de obicei cuprinse în intervalul 1-70MHz. Atunci master-ul setează slave-ul pe nivelul de jos pentru chipul dorit. Dacă este nevoie de o perioadă de așteptare, master-ul așteaptă aceeași perioadă de timp pentru a începe ciclurile de ceas.

Pe parcursul fiecărui ciclu de ceas, apare câte o transmisie full duplex și anume:

Master-ul trimite câte un bit pe linia MOSI iar slave-ul citește de pe aceeași linie.

Slave-ul trimite câte un bit pe linia MISO iar master-ul citește de pe aceeași linie.

De menționat este că nu toate transmisiile de date necesită aceste operații. Transmisia, în mod normal implică existența unor regiștrii de date având o lungime variabilă, un registru fiind situat în circuitul master iar celălalt în circuitul slave aceștia fiind conectați într-o configurație inel. Datele sunt transferate începând cu cel mai semnificant bit și continuând bit cu bit până se ajunge la transferarea și celui mai nesemnificativ bit pentru același registru. Putem afirma faptul că în această fază cele două circuite master/slave își schimbă valorile din regiștrii. Apoi, fiecare dispozitiv citește valoarea din registrul de date, o prelucrează cum e scrierea într-o locație de memorie. De cele mai multe ori transmisiile sunt cuvinte de câte 8 biți în care master-ul poate iniția mai multe transmisii în cazul în care este nevoie.[4]

2.10 Interfata serială SCSI

Interfața SCSI (Small Computer System Interface) face parte din interfața SASI (Shugart Associates System Interface), care a apărut în anul 1981 de firma producătoare Shugart Associates și este destinată pentru conectarea unităților de disc la PC. Utilizează adrese logice în locul celor fizice respectiv comenzii de 6 octeți. Este o interfață de tip sistem alcătuită dintr-o magistrală unde se pot conecta mai multe echipamente. Unul dintre acestea, adaptorul care funcționează ca o legătură între magistrala SCSI și magistrala sistemului.

Din cauza faptului că a lipsit un standard pentru adaptor, pentru driverele de interfață și pentru programul BIOS acceptarea pe piața calculatoarelor a interfeței SCSI a avut o întârziere. Din această cauză au apărut mai multe probleme cu privire la imposibilitatea de utilizare a unităților de discuri, imposibilitatea de utilizare a acestor discuri în afara magistralei SCSI, imposibilitatea de încărcare a SO de pe aceste unități, aceste probleme fiind rezolvate prin dezvoltarea unor standarde specializate SCSI.[6]

2.11 Interfata Fibre Channel

Interfața Fibre Channel este un standard care utilizează un singur canal de comunicație care dispune de unele facilități privind rețeaua ce o utilizează respectiv asigură o bună conectivitate și o distanță necesară, și permite utilizarea anumitor protocoale de comunicații.

Arhitectura Fibre Channel integrează între dispozitive o rețea cu ajutorul unei interconexiuni inteligente. Un port Fibre Channel poate să gestioneze decât o singură conexiune punct la punct. Transmisia de date se face izolat față de protocolul de control, astfel cerințele unei aplicații sunt realizate cu ajutorul unor legături punct la punct.[6]

Principalele caracteristici ale arhitecturii Fibre Channel:

Ratele de transfer de la 266 Mbps – 4 Gbps

Distanțe de 10 km.

Conectivitate mai bună decât cea a canalelor existente.

Nivelul de cost și performanța sunt diferite începând de la sisteme mici până la supercalculatoare.

CAPITOLUL III

INTERFEȚE DE PROCES

3.1 Interfețe de proces. Noțiuni de bază.

Interfețele de proces reprezintă conexiunea dintre sistemul de calcul și dispozitivele de automatizare care sunt distribuite în proces.

Aceste interfețe îndeplinesc mai multe funcții și anume:

Adaptarea semnalelor de intrare: cu privire la specificațiile tehnologiei digitale utilizate, TTL sau CMOS, presupune o adaptare de impedanță, filtrare, amplificare, eșantionare respectiv anumite tipuri de conversii.

Generează semnale de ieșire conform specificațiilor date de dispozitivele de automatizare, această funcție presupune o adaptare de impedanță și de putere.

Izolare galvanică a semnalelor de intrare și de ieșire, acest lucru se realizează cu scopul de protejare a sistemului de calcul de diverse defecțiuni care apar în partea de proces care duc la final la distrugerea componentelor digitale.

Memorare temporară a datelor transmise

Sincronizare a fluxului de date la intrare și la ieșire cu viteza de lucru a procesorului.

Factorii de care depinde structura unei interfețe de proces sunt următorii:

Numărul semnalelor recepționate și transmise

Natura semnalelor: digitale sau analogice, de tensiune sau de curent.

Precizia de prelucrare a semnalelor.

Domeniul de frecvență a semnalelor.

Tipul de magistrală la care se leagă interfața.

Într-o interfață sunt utilizare mai multe moduri de transfer a informației și anume:

Prin programul soft – unitatea centrală controlează în mod direct transferul de date prin intermediul unei rutine de transfer.

Prin întreruperi – fiecare transfer care se face se inițiază prin activarea unui semnal de întrerupere iar transferul se face cu ajutorul unității centrale pe baza unei rutine de întrerupere.

Prin accesul direct la memorie – cu un circuit specializat, controlul direct la memorie dirijează transferul dintre interfață și memorie.

Prin procesor de I/O – având un procesor specializat care este conținut în interfață, acesta se ocupă de efectuarea transferului de informație.

Schema structurii unei interfețe de proces:

Figura 3.1 Structura de principiu a unei interfețe de proces[7]

Componente:

Porturi de ieșire (RE) pentru memorarea semnalelor ce ieșire.

Porturi de intrare (RI) pentru citirea semnalelor de intrare.

Circuit de adaptare (CA) adaptează semnale de intrare și de ieșire.

Circuit de decodificare (Dec) selectează registrii de intrare și de ieșire

Tipuri de interfețe de proces:

Interfețe de ieșire pentru semnalele digitale

Prin releu

Prin optocuplor

Prin tiristor

Prin comanda unui motor pas cu pas

Prin comanda unui motor de curent continuu

Interfețe de intrare pentru semnale digitale

Prin optocuplor

Prin releu

Interfețe de ieșire pentru semnale analogice

Circuite de conversie

Interfețe de intrare pentru semnale analogice

Circuite de conversie

3.2 Interfețe de ieșire pentru semnale digitale

3.2.1 Circuite de ieșire digitală prin releu

Caracteristici:

Asigură o bună izolare galvanică.

Poate comuta tensiuni și curenți mari.

Componentele mecanice ale releului limitează frecvența semnalului de ieșire.

Comutările frecvente provoacă o uzură prematură a releului.

Comutările frecvente provoacă uzura releului.

Figura 3.2 Circuit de ieșire digitală pentru releu[7]

3.2.2 Circuit de ieșire digitală prin optocuplor

Caracteristici:

Asigură o izolare galvanică bună

Frecvența maximă a semnalului e mult mai mare (10KHz – 1 MHz)

Comutările repetate nu afectează circuitul, are un număr limitat de cicluri.

Puterea de transmisie este mică.

Figura 3.2 Circuit de ieșire digitală pentru optocuploare[7]

3.2.3 Circuit de ieșire digitală prin tiristor

Caracteristici:

Nu asigură o izolare galvanică pentru circuitul de comandă.

Există pericolul de străpungere a tiristorului prin faptul că permite trecerea tensiunii din circuitul de forță în partea de control.

Elementul de acționare sau consumatorul este comandat în impulsuri.

Figura 3.2 Circuit de ieșire digitală pentru tiristor[7]

3.2.4 Circuit de ieșire pentru comanda motoarelor pas-cu-pas

Motoarele pas cu pas sunt de două categorii:

Unipolare curentul circulă într-un sens

Bipolare curentul circulă în două sensuri

Figura 3.2 Circuit de ieșire digitală pentru comanda motoarelor pas-cu-pas[7]

Figura 3.3 Comanda circuitului pentru motoarele pas-cu-pas unipolare[7]

Figura 3.4 Comanda circuitului pentru motoarele pas-cu-pas bipolare[7]

3.3 Interfețe de intrare pentru semnale digitale

3.3.1 Circuit de intrare digitală prin releu

Caracteristici:

Izolare galvanică foarte bună.

Frecventă de comutare este limitată.

Numărul de cicluri de comutare este limitat datorită uzurii componentelor mecanice.

Figura 3.5 Circuit de intrare digitală prin releu[7]

3.3.2 Circuit de intrare digitală prin optocuplor

Caracteristici:

O bună izolare galvanică.

Dimensiuni reduse.

Frecvențe de comutare mari 1kHz – 100KHz.

Numărul de cicluri de comutare este limitat.

Figura 3.5 Circuit de intrare digitală prin optocuploare[7]

3.4 Interfețe de ieșire pentru semnale analogice

Canalul analogic de ieșire este format din următoarele componente:

Registru – pentru memorarea valorii digitale a semnalului analogic.

CD/A – convertor digital analogic pentru convertirea semnalului digital în semnal analogic.

FTJ – filtru trece jos, are rolul de filtrare a semnalului de ieșire pentru atenuarea trecerilor bruște între valorile de ieșire discrete.

Amplificator – are rolul de adaptare a semnalului analogic de ieșire prin intermediul unui standard de transmisie (curent, tensiune, impedanță).

Dispozitiv de acționare – este definit ca și element de automatizare pentru influențarea evoluției unui proces.

Adaptor – are rolul de a transforma semnalul analogic în comenzii de execuție.

Element de execuție – este dispozitivul care acționează împotriva unui parametru de intrare.

Figura 3.6 Interfață de ieșire analogică[7]

3.5 Interfețe de intrare pentru semnale analogice

Canalul analogic de intrare este format din următoarele componente:

Traductorul – reprezintă un dispozitiv care este conectat în proces care transformă variația unei mărimi fizice în variații ale semnalului electric, acesta se compune dintr-un senzor și un adaptor de semnal.

Amplificatorul – are rol de adaptare a semnalului de intrare la domeniul convertorului analog digital. În unele situații este necesară izolarea galvanică a semnalului de intrare față de restul circuitului.

Multiplexor analogic – acesta permite comutarea mai multor intrări analogice la un singur convertor analog digital.

Filtru trece jos (FTJ) – are rolul de limitare a frecvenței semnalului de intrare, se poate considera că acele componente care depășesc limitele de frecvență sunt produse de interferențe astfel trebuie să fie eliminate.

Circuit de eșantionare/reținere – acesta are rol de prelevare a eșantioanelor din semnalul de intrare și de menținere a valorii eșantionate de pe toată durata conversiei.

CAD – are rolul de convertire a semnalului analogic în semnal digital.

Registru de intrare – are rolul de memorare a valorii convertite menite pentru a fii citite de procesor.

Figura 3.7 Interfață de intrare analogică[7]

Capitolul IV

Soluții aplicative de interfațare PC din mediul de programare MATLAB

4.1 Programul Matlab

Programul Matlab este un limbaj, un mediu de programare pentru calcule numerice, pentru analize științifice. Acest mediu de programare permite de asemenea calcularea și manipularea de funcții matematice, de calculul unor matrici, de implementarea unor algoritmi sau de dezvoltarea unor aplicații pentru interacționarea cu alte aplicații.

Matlab este în continuă completare cu diverse pachete instrumentale pentru aplicații în mute domenii, această listă fiind într-o continuă expansiune. Acest program dezvoltă aplicații într-un mediu de programare foarte complex ce pornește de la simple calcule numerice și simulării până la structuri electronice cu interfețe PC.

În prezent, există programe care se pot adiționa pentru a acoperi un anumit domeniu(Comunications, Control System, Filter Design, Image Processing, Neural Network, etc.). Aceste domenii sunt sugestive nu doar din considerente de enumerare ci mai ales pentru extinderea ulterioară a aplicațiilor dezvoltate din fiecare domeniu. Documentația este una foarte impresionantă, fiind completată prin actualizări fie publice fie prin companii care generează aceste aplicații pentru dezvoltare aplicativă cât și a unor noi produse hard și soft.[8]

4.2 Dispozitive obiect pentru pachetul soft al interfeței PC

Mediul de programare Matlab are o suficientă acoperire pentru interfațările utilizabile pentru PC. Mai există și compatibilitatea cu datele obținute în urma simulărilor. Aceste modalități sunt selectate dintr-o serie de aplicații cu suport tehnic.

Figura 4.1 Asociere dispozitive obiect și subsisteme hardware[8]

În structura iterativă se definesc dispozitive de tip obiect prin intermediul cărora se face transferul de date. Aceste dispozitive se structurează în pachete soft care sunt create cu ajutorul programului Matlab. Fiecare dispozitiv obiect creat va intra în corelație cu un subsistem propriu electronic determinat univoc. Datorită denumirilor identice pentru aceleași dispozitive de interfață electronică nu sunt posibile fiindcă se evită incompatibilitatea cu acestea. De exemplu, pentru un port paralel setat cu 8 linii I/O, la acestea se pot adăuga linii suplimentare fără posibilitatea de a denumi un nou dispozitiv responsabil cu liniile suplimentare.

Pentru programul Matlab se necesită definirea dispozitivelor obiect cu structură software. Dispozitivele obiect se folosesc pentru inițializarea porturilor de intrare/ieșire cu anumite valori și mai pe urmă cu transferul datelor prin modalități specifice. O altă alternativă este de a transfera fișierele cu ajutorul instrucțiunii proprii mediului de programare Matlab.

Sistemele electronice concurează pentru transferul datelor numai pe baza dispozitivelor obiect. Utilizarea acestora fie definite fie predefinite asigură pachete software pentru configurarea interfețelor PC. De exemplu, se poate stabili care este numărul de canale pentru o interfață, modul de transfer de pe canal. Pentru asigurarea funcționalității este important asigurarea unor tehnici de adaptare.

4.3 Interfațare prin placa de sunet

Placa de sunet conține câteva sisteme electronice necesare pentru înregistrarea și redarea sunetului. Cele două procesării se realizează pe 16 biți de date. Multe dintre plăcile audio se pot conecta la una dintre magistralele clasice PCI de I/O, conținând două sau mai multe canale. Pentru creșterea vitezei de transfer a informației și pentru degrevarea procesorului de sarcini se folosește unul sau mai multe canale DMA pentru transfer direct al datelor spre unitatea de memorie.

Acestea marchează de obicei un domeniu care se manifestă prin îmbunătățirea dependentă față de structurile tehnologice cât și față de necesitățile aplicative foarte diversificate.

În mediul de programare Matlab placa audio poate fi programată folosind o diversitate de funcții, sau comenzii specifice pentru identificarea electronicii audio în PC urmate mai apoi de fixarea variabilelor de intrare și de ieșire. Cu ajutorul programului Matlab se pot implementa linii de comandă pentru a definii funcții asupra cărora se pot aplica diverse strategii de prelucrare matematică.

De exemplu se poate scrie o variabilă analogica ao de ieșire care să fie gestionată de windows și care să fie alocată plăcii audio din PC:

ao= analogoutput(‘winsound’);

addchannel(ao,1:2);

set(ao,’SampleRate’,44100)

Pentru acest program s-au alocat două canale analogice ao și de asemenea fixat frecvența de eșantionare la valoarea de 44100Hz. La fel se poate defini o mărime analogică de intrare denumită ai. În Matlab există o varietate de instrucțiunii prin care se pot crea noi programe interactive între PC și mediul extern, se pot transfera date în timp real. Comenzile directe din Matlab, fără utilizarea graficii blocurilor din simulare justifică faptul că în derularea acțiunilor generate de liniile programului sunt scurte .

4.3.1 Program Matlab pentru interfațare prin placa de sunet

Inițializarea variabilei de ieșire ao

ao= analogoutput(‘winsound’);

addchannel(ao,1:2);

set(ao,’SampleRate’,44100)

>>ActualRate = setverify(ao,’SampleRate’,44100)

ActualRate=

44100

>>

>> out = daqhwinfo(ao)

Out =

AdaptorName:’winsound’

Bits: 16

Channel1IDs: [1 2]

Coupling: {‘AC Coupled’)

DeviceName: ‘C-MediaWave Device’

ID: ‘0’

MaxSampleRate: 44100

MinSampleRate: 8000

NativeDataType:’int16’

OutputRanges: [-1 1]

Polarity: {Bipolar}

SampleType: ‘SimultaneousSample’

SubsystemType: ‘Analogoutput’

TotalChannels: 2

VendorDriverDescription: ‘Windows Multimedia Driver’

Vendor Driver Version: ‘5.10’

4.4 Interfațare prin portul paralel PC în mediul de programare Matlab

În primul rând trebuie să amintim câteva remarci utile asupra clasicului port paralel în toate PC-urile compatibile cu IBM PC. Liniile interfeței clasice sunt de obicei controlate de softul calculatorului iar dispozitivele periferice urmăresc un protocol pentru transfer paralel cum e cel impus de standardul IEEE 1284-1994. Acest protocol stabilește procedurile de transfer, starea informației respectiv alte caracteristici privind semnalele de transfer.

Structura unui PC are rezervată în configurația standard trei etichete pentru porturile paralele LPT1, LPT2, LPT3. În general în calculator există doar un singur port astfel se poate alege doar o singură etichetă din cele trei.

Mediul de programare Matlab dispune de numeroase compatibilități pentru plăcile electronice de interfațare. Este sugerată de astfel și posibilitatea de a include și diverse porturi digitale de intrare/ieșire. Un aspect important rămâne și posibilitatea de configurare a portului paralel pentru diverse aplicații. Mai mult, portul paralel este tratat în legătură directă cu structura hardware rezultând astfel o interfață digitală cu 3 porturi digitale ce însumează 17 linii.

În figura de mai jos este reprezentat spațiul interfeței paralele cu 3 porturi ce cuprinde 17 linii digitale.

Figura 4.2 Prezentarea interfeței paralele cu 3 porturi ce cuprind 17 linii digitale[8]

Pentru controlul soft al portului paralel este definit un dispozitiv obiect. Deoarece pentru interfațare se urmărește utilizarea portului pentru transferul semnalelor de comandă.

În acest mod se definește dispozitivul obiect cu numele punte_6_out pentru port:

>> punte_6_out = digitalio(‘parallel’,1);

>>addline(punte_6_out,0:5,’out’)

Index: LineName: HwLine: Port: Direction:

1 ‘Pin2’ 0 0 ‘Out’

2 ‘Pin3’ 1 0 ‘Out’

3 ‘Pin4’ 2 0 ‘Out’

4 ‘Pin5’ 3 0 ‘Out’

5 ‘Pin6’ 4 0 ‘Out’

6 ‘Pin7’ 5 0 ‘Out’

>>

Liniile de program de mai sus sunt scrise în prompterul Matlab. În prezentarea liniilor anterioare de program s-au adăugat 6 linii de ieșire pentru dispozitivul obiect definit. În urma comenzilor introduse rezultă un răspuns privind alocarea la nivel de pin.

Figura 4.3 Interfața paralelă digitală de intrare/ieșire DIO inițializată[8]

De asemenea este asigurată și definirea celor 6 canale digitale de ieșire necesare pentru dispozitivul obiect. În figura de mai jos pot fi urmăriți parametrii unui singur canal digital .

Figura 4.4 Definirea unui canal digital de ieșire din interfața paralelă[8]

În mod similar se pot definii de asemenea și alte dispozitive obiect pentru necesitățile de comandă. Extinderea funcțională la nivelul interfeței paralele permite configurarea pinilor disponibili. Modul de transfer prin interfața digitală sunt de obicei cele clasice. Aceste porturi acceptă transferuri fie bidirecționale fie numai de intrare/ieșire. Comenzile din Matlab se pot utiliza pentru identificarea configurației porturilor la un moment pentru diverse operații la nivel de bit.

Structura dispozitivului obiect punte_6_out poate fii verificată prin linii de program cu instrucțiuni specifice în linii de program specifice cum sunt:

>>hwinfo=daqhwinfo(punte_6_out); comanda la nivel de linie.

Hwinfo = ; se generează automat

AdaptorName :’parallel’ ; un răspuns pe mai multe linii.

DeviceName:’PC Parallel Port Hardware’

ID:’LPT1’

Port: [1×3 struct]

SubsystemType:’DigitalIO’

TotalLines: 17

VendorDriverDescription: ‚Win I/O’

VendorDriverVersion:’1:3’

>> ;revine prompterul Matlab

Se observă în mod evident faptul că nu sunt folosite toate linii de interfețe. Aplicațiile extinse pot impune adăugarea de linii suplimentare la același dispozitiv obiect punte_6_out. Liniile pot fi definite și ca intrări necesare pentru senzori din structura electronică externă.

Mediul de programare Matlab dispune de un set de instrucțiuni pentru acoperirea spre utilizarea interfețelor, portul paralele fiind doar o particularizare pentru un sistem electronic digital de intrare/ieșire.

Definindu-se un dispozitiv obiect în mod particular pentru gestionarea interfeței, cunoscând procedurile de configurare se vor putea realiza diverse dispozitive obiect pentru aplicațiile urmărite. Interfața paralelă va urmări modul de funcționare dintr-un pachet soft salvat și ulterior disponibil prin comanda load urmată de numele dispozitivului obiect și anume:

>> load punte_6_out

>>

Este preferabil ca în Matlab o nouă aplicație să înceapă cu spațiul de memorare complet disponibil. Comanda clear all asigurăm o ștergere generală:

>> clear all

>> load punte_6_out

>>

O variantă extinsă la toate cele 17 linii de intrare/ieșire extinse în portul paralel a dus la o fixare a dispozitivelor obiect. Structura portului paralel cu 10 ieșiri șu 7 intrări poate fii acoperitor multor interfațări digitale, în funcție de aplicație. Configurarea adecvată depinde de nivelul de intrări și ieșiri alocate.

Capitolul V

CONCLUZII

În această lucrare am prezentat noțiunile teoretice realizând o descriere, o clasificare a interfețelor PC prin descrierea rolului, vitezei de transfer respectiv standardul pe care trebuie sa-l îndeplinească, precum și simulări cu ajutorul programului Matlab ca și aplicații practice ale interfețelor PC.

În primele capitole am prezentat o serie de interfețe digitale, plăci de extensie utilizate în interfațarea PC respectiv interfațări de proces atât pentru interfețe digitale cât și pentru cele analogice.

Expansiunea calculatoarelor PC este benefică pentru a oferi un suport electronic generalizat. Utilizarea simulărilor pentru perfecționarea obținerii unor semnale utile devine o alternativă în folosirea acestor date după ce au fost memorate. Direcționarea acestora spre o anumită interfață devenind doar o simplă opțiune.

Important este de asemenea și modul de configurare a datelor salvate în comparație cu modul de configurare a interfeței.

Adaptarea rulării unei aplicații în mod direct se realizează prin crearea de structuri dedicate pentru tipul de procesor din configurația hardware a PC-ului.

Stabilirea unui soft pentru interfețe favorizează și alte abordări similare pentru gestiunea plăcilor de interfațare electronică.

BIBLIOGRAFIE

[1] Francis Rumsey, John Watkinson. Digital interface handbook

[2] Charles A. Poynton (2003). Digital Video and HDTV

[3] Costin Ștefănescu, Nicolae Cupcea (Bucuresti, 2003). Electronică Aplicată – Sisteme inteligente hardware-software de măsurare și control.

[4] http://prezi.com/ww3seovnllpl/interfata-ieee-1394/

[5] http://ro.wikipedia.org/wiki/Interfa%C8%9Ba_serial%C4%83_SPI

[6] Ovidiu Neamțu. Arhitectura Calculatoarelor, Editura Universitatii din Oradea 2008

[7] Honoriu VĂLEAN. Informatica industriala ,Cluj-Napoca 2007

[8] Ovidiu Neamțu . Simulare și interfațare PC, Editura Universității din Oradea 2005

BIBLIOGRAFIE

[1] Francis Rumsey, John Watkinson. Digital interface handbook

[2] Charles A. Poynton (2003). Digital Video and HDTV

[3] Costin Ștefănescu, Nicolae Cupcea (Bucuresti, 2003). Electronică Aplicată – Sisteme inteligente hardware-software de măsurare și control.

[4] http://prezi.com/ww3seovnllpl/interfata-ieee-1394/

[5] http://ro.wikipedia.org/wiki/Interfa%C8%9Ba_serial%C4%83_SPI

[6] Ovidiu Neamțu. Arhitectura Calculatoarelor, Editura Universitatii din Oradea 2008

[7] Honoriu VĂLEAN. Informatica industriala ,Cluj-Napoca 2007

[8] Ovidiu Neamțu . Simulare și interfațare PC, Editura Universității din Oradea 2005