Монтажное И
Что такое соединение в монтажное И.
Представь себе линию, подтянутую резистором к плюсу питания. Так как сопротивление между линией и землей бесконечность, а между питанием и линией равно резистору, то напряжение на линии равно напряжению питания. То есть высокий уровень aka (обычно) логическая единица.
|
К линии подключаются девайсы. Которые могут замыкать эту линию на землю. Так вот, исходя из этого подключения, на линии будет высокий уровень только тогда, когда все остальные девайсы выставят выставят высокий уровень на своих выходах. Стоит какому-либо одному поганцу придавить линию к земле нулем, как вся шина станет низкого уровня и никто из других девайсов на это повлиять не сможет.
Как это можно использовать? Простеший пример — сигнал готовности. Есть куча блоков единого устройства. Каждый из которых работает по своему алгоритму и, например, требует начальную инициализацию. Чтобы главный понял, что все остальные блоки закончили инициализацию и подготовились он «слушает» линию связи. В качестве сигнала готовности — блок отпускает линию. Когда каждый блок пройдет инициализацию, то линия примет высокий уровень и это будет сигналом полной готовности устройства.
На этом же принципе работает и шина 1-Wire и I2C — там если приемник не успевает прожевать байт, то он просто придавливает тактовую линию, не давая передатчику генерировать импульсы. А передатчик, видя что его обламывают, делает паузу.
Как с этим работать
Очевидно, что при работе на шину с монтажным И нельзя в эту шину подавать сильный высокий уровень. Иначе если какой либо из блоков выдаст свой сильный низкий то один из них выгорит в результате КЗ. Соответственно, если говорить про AVR, то ноль задаем сочетанием DDR=1 PORT=0, а единицу (когда линия отпущена) DDR=0 PORT=0. Вот такая вот инверсная логика.
Двухпроводной последовательный интерфейс TWI / I2C
Двухпроводной последовательный интерфейс TWI (Two-wire Serial Interface) является полным аналогом базовой версии интерфейса I2C (двухпроводная двунаправленная шина) фирмы Philips. Этот интерфейс позволяет объединить вместе до 128 различных устройств с помощью двунаправленной шины, состоящей из линии тактового сигнала (SCL) и линии данных (SDA).
Двухпроводной интерфейс (TWI) — двунаправленная двухпроводная последовательная шина передачи данных, совместимая со стандартными шинами I2C и SMBus.
Устройство, подключенное к шине, должно быть либо ведущим, либо подчиненным. Ведущее устройство инициирует передачу данных путем передачи адреса подчиненного устройства и типа передачи: чтение или запись. Если к шине подключено несколько ведущих устройств и некоторая их часть одновременно инициировала передачу, применяется механизм арбитража, который учитывает приоритет этих устройств.
Модуль TWI микроконтроллеров может работать и в роли ведущего, и в роли подчиненного устройства. Ведущая и подчиненная работа полностью отделены друг от друга и предусматривают отдельное управление включением/отключением. Для этих функций также предусмотрены отдельные регистры управления и статуса, а также векторы прерываний. Потеря арбитража, ошибки, коллизии и удержание линии синхронизации обнаруживаются на аппаратном уровне и индицируются отдельными флагами статуса для ведущего и подчиненного режимов.
Ведущий модуль содержит программируемый генератор скорости связи. Даже при синхронизации системы низкими частотами, поддерживается возможность работы шины на частоте 100 и 400 кГц. При необходимости автоматического выполнения операций и снижения сложности программы могут быть разрешены команды QUICK и режим SMART.
В подчиненном модуле на аппаратном уровне реализована возможность распознавания 7-битного адреса и адреса общего вызова. Также поддерживается 10-битная адресация. Предусмотренный регистр маски адреса может выступать в роли второго регистра сравнения, если требуется обнаружение двух подчиненных адресов, или регистра маски, если требуется обнаружение адресов, принадлежащих заданному диапазону.
Логика подчиненного модуля продолжает работать во всех экономичных режимах работы МК, в т.ч. POWER DOWN. Благодаря этому, подчиненный модуль способен возобновить активную работу МК при обнаружении совпадения адреса. При необходимости программного слежения за адресами, аппаратную функцию обнаружения совпадения адреса можно отключить. Потребность в этом может возникнуть, когда необходимо обнаруживать несколько различных адресов и реагировать на них. При необходимости автоматического выполнения действий и снижения сложности программы можно задействовать режим SMART.
Модуль TWI содержит логику контроля состояния шины, которая накапливает информацию для обнаружения условий START и STOP, коллизий и ошибок шины. С её помощью можно определить состояние шины в ведущем режиме (IDLE, OWNER, BUSY или UNKNOWN).
При необходимости подключения к внешнему драйверу шины по 4-проводному интерфейсу, внутренние драйверы модуля TWI можно отключить.
Принцип действия шины TWI
Двухпроводной интерфейс (TWI) подключается к простой двухпроводной и двунаправленной шине, которая состоит из двух линий: линия синхронизации (SCL) и линия последовательной передачи данных (SDA). Источниками сигналов для обеих линий являются схемы с открытым коллектором в выходном каскаде (используется принцип "монтажного И"). Для создания высоких логических уровней на линиях шины, в т.ч. когда к шине не подключено ни одно устройство, необходимы подтягивающие к плюсу питания резисторы (Rp) — единственно необходимые внешние компоненты. Альтернативно, вместо подтягивающих резисторов могут использоваться источники тока.
Шина TWI является простым и эффективным средством соединения по последовательной шине нескольких устройств.
Устройство, подключенное к шине, может быть либо ведущим (master), либо подчиненным (slave). Чтобы передача по шине стала возможной, к ней должно быть подключено как минимум одно ведущее устройство.
Топологию шины TWI иллюстрирует рисунок 9.
Рис. 9. Топология шины TWI
Каждое подключенное к шине подчиненное устройство должно иметь собственный неповторяющийся адрес, передачей которого ведущее устройство инициирует транзакцию. Могут использоваться 7- или 10-битные адреса. К одной шине допускается подключение нескольких ведущих устройств. Такая шина называется мультимастерной. Для определения, какое из одновременно осуществляющих доступ к шине ведущих устройств имеет приоритет, используется механизм арбитража.
Устройство может содержать, как логику ведущего устройства, так и логику подчиненного устройства. Кроме того, оно может эмулировать работу нескольких подчиненных устройств, путем реагирования на несколько адресов.
Ведущее устройство сигнализирует о начале транзакции генерацией на шине условия START (S). Затем, передается пакет адреса с адресом подчиненного устройства (ADDRESS) и указание желаемого направления передачи данных, т.е. чтение или запись (R/W). По завершении передачи всех пакетов данных (DATA), ведущее устройство генерирует на шине условие STOP (P) и транзакция завершается. После приема каждого байта получатель данных генерирует бит подтверждения (A или ACK) или неподтверждения (/A или NACK).
Транзакция шины TWI показана на рисунке 10.
Рисунок 10. Структура базовой транзакции шины TWI
Сигнал синхронизации транзакции генерирует ведущее устройство, однако, в целях снижения быстродействия шины, любое подключенное к шине устройство может увеличить длительность импульса низкого уровня.
CAN BUS
CAN (Control Area Network) — последовательная магистраль, обеспечивающая увязку в сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок, высокой помехоустойчивостью. Система CAN обеспечена большим количеством микросхем, обеспечивающих работу подключенных к магистрали устройств, разработку которых начинала фирма BOSH для использования в автомобилях, и в настоящее время широко используемых в автоматизации промышленности.
Предназначен для организации высоконадежных недорогих каналов связи в распределенных системах управления. Интерфейс широко применяется в промышленности, энергетике и на транспорте. Позволяет строить как дешевые мультиплексные каналы, так и высокоскоростные сети.
Скорость передачи задается программно и может быть до 1 Мбит/с. Пользователь выбирает скорость, исходя из расстояний, числа абонентов и емкости линий передачи.
Максимальное число абонентов, подключенных к данному интерфейсу фактически определяется нагрузочной способностью примененных приемопередатчиков. Например, при использовании трансивера фирмы PHILIPS PCA82C250 она равна 110.
Протокол CAN использует оригинальную систему адресации сообщений. Каждое сообщение снабжается идентификатором, который определяет назначение передаваемых данных, но не адрес приемника. Любой приемник может реагировать как на один идентификатор, так и на несколько. На один идентификатор могут реагировать несколько приемников.
Протокол CAN обладает развитой системой обнаружения и сигнализации ошибок. Для этих целей используется поразрядный контроль, прямое заполнение битового потока, проверка пакета сообщения CRC-полиномом, контроль формы пакета сообщений, подтверждение правильного приема пакета данных. Хемминговый интервал d=6. Общая вероятность необнаруженной ошибки 4.7x10-11.
Система арбитража протокола CAN исключает потерю информации и времени при "столкновениях" на шине.
Интерфейс с применением протокола CAN легко адаптируется к физической среде передачи информации. Это может быть дифференциальный сигнал, оптоволокно, просто открытый коллектор и т.п. Несложно делается гальваническая развязка.
Элементная база, поддерживающая CAN, широко выпускается в индустриальном исполнении.
Полная спецификация СAN приведена здесь — www.gaw.ru/data/Interface/CAN_BUS.PDF
Описание интерфейса CAN
Интерфейс CAN предназначен для организации последовательных, высоконадёжных и недорогих каналов связи в распределённых системах управления. Он позволяет организовывать как мультиплексные каналы, так и высокоскоростные сети. Данный интерфейс имеет протокол, поддерживающий возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств и обеспечивает передачу данных в реальном масштабе времени.
Интерфейс обладает высокой помехоустойчивостью благодаря коррекции ошибок. Передача данных осуществляется кадрами, которые принимаются всеми устройствами сети. Кадр состоит из идентификатора длиной 11 бит для стандартного формата или 29 бит для расширенного формата и блока данных, содержащего от 0 до 8 байт. Идентификатор описывает содержимое пакета данных и служит для определения приоритета при попытке одновременной передачи несколькими устройствами.
Скорость передачи данных выбирается исходя из расстояния, числа абонентов в сети и ёмкости линии связи. Она задаётся программно и может составлять от десятка Кбод до единиц Мбод.
Стандарт интерфейса CAN определяет передачу данных независимо от физического уровня, т.е. канал связи может быть каким угодно, например, радиоканалом или оптоволокном. Однако на практике под CAN-интерфейсом обычно подразумевается сеть с физическим каналом связи в виде дифференциальной пары проводов, определённым в стандарте ISO 11898. На рисунке 11 приведена схема подключения устройств к интерфейсу CAN.
Рис. 11. Схема подключения устройств к интерфейсу CAN
Стандартное назначение выводов для широко распространённого 9-контактного разъёма интерфейса CAN приведено на рисунке 12.
Рис. 12. Стандартное назначение выводов для 9-контактного разъёма CAN-интерфейса
Интерфейс CAN относится к типу сетей CR (Collision Resolution, разрешение коллизий), в отличие от сетей типа CD (Collision Detect, обнаружение коллизий), например Ethernet. Тип сетей CR обеспечивает приоритетный доступ к передаче сообщения, что необходимо для промышленных устройств.
Приоритетный доступ к передаче сообщений в стандарте ISO-11898 реализуют так называемые рецессивные и доминантные биты. В зависимости от типа шины, объединяющей устройства CAN, эти биты могут принимать значение лог. 0 либо лог. 1. В таблице приведены два примера организации шин, поясняющие образование управляющих битов.
Спецификация интерфейса CAN избегает описания двоичных значений сигналов, как лог. 0 либо лог. 1, с целью абстрагирования от среды передачи. Именно поэтому вместо них применяются термины «рецессивный» и «доминантный» биты. При этом подразумевается, что при передаче одним устройством сети рецессивного бита, а другим доминантного, принят будет доминантный бит. Например, при реализации физического уровня с помощью радиоканала отсутствие сигнала означает рецессивный бит, а наличие сигнала — доминантный.
Стандарт сети требует от физического уровня передачи, чтобы доминантный бит мог подавить рецессивный, но не наоборот. Например, в оптическом волокне доминантному биту должен соответствовать свет, а рецессивному — его отсутствие. В электрическом проводе рецессивное состояние соответствует высокому потенциалу на линии связи, а доминантное — низкому потенциалу, т.е. когда устройство подключает линию связи к нулевому потенциалу. Если линия находится в рецессивном состоянии, перевести её в доминантное состояние может любое устройство сети, например, включив свет в оптоволокне.
Кадры и их форматы
Кроме рецессивного и доминантного битов, стандарт интерфейса CAN оперирует таким понятием, как кадр, который используется в протоколе обмена информацией между устройствами. Каждый кадр представляет собой единый набор нескольких служебных битов и байтов. Существуют следующие виды кадров:
• кадр данных (data frame) служит для передачи данных;
• кадр запроса передачи (remote frame) служит для запроса на передачу кадра данных с тем же идентификатором;
• кадр перегрузки (overload frame) обеспечивает промежуток между кадрами данных или кадрами запросов;
• кадр ошибки (error frame) передаётся узлом, обнаружившим ошибку.
В таблицах ниже представлены базовый формат и расширенный формат кадра данных.
Графическое представление данных кадров, с пояснениями и порядком следования бит, приведено на рисунках 13 и 14 соответственно. Межкадровый интервал служит для разделения кадров между собой и состоит как минимум из трёх рецессивных бит. Он необходим передающему устройству для подготовки очередного кадра.
Рис. 13. Стандартный кадр данных
Рис. 14. Расширенный кадр данных
Арбитраж доступа к шине
При наличии в сети нескольких устройств, которые могут формировать запросы, в ней могут возникать конфликтные ситуации, когда эти запросы выставляются одновременно. С целью устранения подобных коллизий в интерфейсе CAN предусмотрен механизм арбитража доступа к шине. Когда шина свободна, любое устройство может начинать передачу в любой момент. В случае одновременной передачи кадров двумя и более устройствами производится арбитраж: передавая биты идентификатора, устройство одновременно проверяет состояние шины. Если при передаче очередного бита на шине присутствует противоположный бит, считается, что другое устройство передаёт сообщение с более высоким приоритетом, и передача откладывается до освобождения шины.
Таким образом, в отличие, например, от сети Ethernet, в сети CAN не происходит непроизводительной потери пропускной способности канала при коллизиях. Однако при этом не исключена вероятность того, что сообщения с низким приоритетом никогда не будут переданы.
Защита информации от ошибок
Интерфейс CAN имеет несколько механизмов контроля и предотвращения ошибок. Благодаря арбитражу доступа к шине, производится контроль передачи информации, поскольку при передаче битовые уровни в сети сравниваются с передаваемыми битами
Кроме того, интерфейс CAN использует для защиты информации от ошибок контрольную сумму. Каждый раз при передаче информации, передающее устройство вычисляет контрольную сумму пакета данных и добавляет её в передаваемый кадр. Устройство, принимающее информацию, вычисляет контрольную сумму принимаемого кадра и сравнивает её с контрольной суммой принятого кадра. В случае совпадения контрольных сумм устройство передаёт доминантный бит в промежутке подтверждения.
После передачи пяти одинаковых битов подряд передаётся дополнительный бит противоположного значения — так называемый бит-вставка (bit stuffing), который позволяет защититься от сбоя синхронизации устройств при передаче данных, состоящих из одного и того же двоичного кода.
Упомянутые выше механизмы позволяют обеспечить передачу информации с вероятностью пропуска ошибки 4,7 х 10^-11.
Технические характеристики шины
Все устройства в сети CAN должны работать с одинаковой скоростью. Стандарт CAN не определяет скорость работы, но большинство как самостоятельных, так и встроенных в МК контроллеров CAN позволяют плавно изменять скорость в диапазоне от 20 Кбит/с до 1 Мбит/с. Существуют также решения, выходящие далеко за рамки данного диапазона.
Приведённые выше методы защиты информации от ошибок требуют, чтобы изменение бита при передаче успело распространиться по всей сети к моменту контроля его состояния передатчиком. Это приводит к обратной зависимости длины шины от скорости передачи: чем больше скорость передачи информации, тем меньше должна быть длина шины. Соотношения скорости передачи и длины шины для сетей стандарта ISO 11898 приведены в таблице.
На скорость передачи информации и длину шины также оказывает влияние использование оптических пар для защиты устройств от высоковольтных помех. Снижают скорость передачи информации и сильно разветвлённые сети в виде паутины, из-за множества отражений сигнала и большой электрической ёмкости шины.
Несомненно последний тип интерфейса получает все большее распространение в автомобилях и поэтому является самым интересным и лакомым для авто-радиолюбителей, но он применяется только на специализированных версиях микроконтроллеров (список их есть в интернете и поэтому приводится не будет).
Если купить такой МК нет возможности можно купить переходник на другой стандарт, например SPI — www.mikroe.com/add-on-boards/communication/canspi/ или сделать самому — elm327.com.ua/elm327-analog.php