Оконечные устройства

Рисунок -8. Структурная схема  многофункционального терминала (ПК) 

2. Плата адаптера последовательного порта компьютера, её   устройство  и  выполняемые  функции.

  Структурная схема платы контролера (адаптера) последовательного порта представлена на рисунке 9.

   

  Рисунок- 9.  Структурная схема платы адаптера  последовательного  порта.

  Компьютер может быть оснащен одним или  двумя адаптерами портов последовательной передачи данных. Эти адаптеры портов расположены либо на отдельных платах, вставляемых в соты расширения материнской платы.

  Бывают  также платы, содержащие четыре или восемь адаптеров портов  последовательной передачи данных. Их часто используют для подключения компьютеров или терминалов к одному центральному компьютеру. Эти платы имеют название «мультипорт».

  Аппаратная  реализация интерфейса RS-232 включает в себя последовательный адаптер и механический интерфейс.

    Преобразование ТТЛ уровней в  уровни интерфейса RS-232, и наоборот, производится передатчиками и приемниками EIA, входящими в состав микросхем.

  Обычно  передача данных осуществляется на одной или нескольких скоростях: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200Бод. Средства BIOS компьютера поддерживают скорости до 9600Бод включительно. Тактовая частота составляет 1,8432МГц и стабилизирована благодаря использованию кварцевого генератора.

  Из этой частоты формируются все остальные необходимые частоты.

  В основе последовательного порта  передачи данных лежит микросхема INTEL 8250 или её современные аналоги. Эта микросхема является универсальным асинхронным приемопередатчиком (UART-Universal Asynchronous  Receiver Transmitter). Микросхема содержит несколько внутренних регистров  доступных через команды ввода/вывода.

  Микросхема  8250  содержит  регистры  передатчика  и  приемника  данных.  При  передаче  байта  он  записывается  в буферный  регистр передатчика,  откуда  затем  переписывается  в  сдвиговый  регистр  приемника.  Байт  «выдвигается»  из  сдвигового  регистра  по  битам.

  Точная  последовательность операций выполняемых  UART в каждой конкретной ситуации контролируется внешними параметрами. В общих чертах работу UART в режимах приема/передачи можно описать следующим образом.

  При передаче символа, UART должен выполнить следующие операции:

  - принять кодовую комбинацию символа в параллельной форме через системную шину компьютера;

    - преобразовать кодовую комбинацию символа в последовательность отдельных битов (параллельно-последовательное преобразование);

  - сформировать стартстопную кодовую  комбинацию символа путем добавления к информационным разрядам стартового, стопового и возможно, бита паритета;

  - передать стартстопную комбинацию  символа на интерфейс с требуемой скоростью; 

  -  сообщить  о готовности к передаче следующего  символа.

     При приеме символа, UART должен выполнить обратную последовательность действий:

   - принять  данные в последовательной форме;

   - проверить правильность структуры  стартстопной комбинации: стартовый бит, информационные разряды, бит паритета, если выявлена ошибка, выдать сигнал ошибки; 

   - осуществить проверку паритета, если есть ошибка выдать сигнал ошибки паритета;

  -  преобразовать  стартстопную комбинацию символа  в последовательность информационных разрядов, и передать их в параллельной форме в оперативную память компьютера;                                                                                                                      -  сообщить,  что символ  принят.  

  Первые  адаптеры  последовательной связи фирмы IBM были построены на микросхемах INS 8250 фирмы National Semiconductor. За прошедшее время эта микросхема несколько раз модернизировалась. Выпускались и многочисленные функциональные аналоги другими производителями микросхем.  Тем не менее, все модификации микросхемы 8250 идентичны между собой по большинству своих функциональных характеристик. Микросхемы 8250 рассчитаны на максимальную скорость 38400 бит/с. В настоящее время UART такого типа практически не используют.

  Появившиеся позже микросхемы UART серии 16450 рассчитаны на максимальную скорость 115200 бит/с.

  Однако  на сегодняшнем уровне технике связи  с её высокими скоростями передачи информации и многозадачности операционными системами микросхемы такого типа стали «узким местом» коммуникационной аппаратуры. Чтобы исправить ситуацию, были разработаны и выпущены микросхемы типа 16550(РС 16550С/NS16550АF и ряд функциональных аналогов).

  По  умолчанию микросхема 16550 работает в режиме микросхемы 8250 и может быть установлена вместо микросхемы 8250. В совместном режиме она  является полным функциональным аналогом UART 8250 и 16550 и в отличие  от микросхемы UART более ранних выпусков микросхема 16550 имеет второй режим работы, предусматривающий сокращение вмешательства центрального процессора в процедуру последовательной передачи данных. В этом режиме буферные регистры приемника и передатчика расширяются от одного до 16 байт и управляются с использованием логики FIFO (First In – First Out  -  первым пришел - первым вышел). Буфер FIFO приемника используется также для хранения трех битов информации об ошибках для каждого символа. Ошибки паритета, форматирования и сигналы прерывания буферируются вместе с символом, к которому они относятся. 

  Микросхема 16550 выполняет следующие функции:

• обеспечивает простой интерфейс между шиной компьютера и модемом или другими внешними устройствами;
• автоматически добавляет, удаляет и проверяет форматирующие биты;
• генерирует и проверяет биты паритета под управлением специальной  программы;
• выделяет указатели состояния операции передачи и приема, а также  состояния линии передачи данных и устройства сопряжения;
• содержит встроенные сдвиговые регистры и регистры хранения для операции передачи и приема данных, что исключает необходимость точной синхронизации работы процессора с потоком данных;
• содержит программируемый генератор-контроллер скорости передачи, работающий с внешним опорным сигналом частотой до 24МГц;
• содержит встроенные средства самотестирования;
• может работать под управлением программного обеспечения, разработанного для микросхем 8250 и 16450;
• внутренние буферы позволяют хранить до 16 символов и связанную  с ними служебную информацию при операциях передачи и приема данных.

  Программа имеет доступ только к буферным регистрам, копирования информации в сдвиговые регистры и процесс сдвига выполняется микросхемой  UART автоматически.

  К внешним устройствам, асинхронный последовательный порт подключается через специальный разъем. Существует два стандарта на разъемы интерфейса RS-232С, это DВ-25 и DВ-9. первый имеет 25, а второй 9 выводов.  

   

3.3. Назначение и устройство модема.

    На передаваемые сигналы могут влиять шумы, импульсные помехи, замирание сигнала,  колебания амплитуды, ограничение частотного диапазона. Также абонентские линии вносят в сигнал значительную долю искажений: затухание, перекос энергетического спектра сигнала, импеданс линии. Основной функцией модема является согласование спектра сигнала источника сообщений с частотными характеристиками канала ТЧ. Кроме этого модемы обеспечивают защиту от ошибок, сжатие данных, шифрацию информации и другие функции.

  Модемы  обеспечивают преобразование цифрового  информационного сигнала в аналоговый сигнал (модуляция) для передачи по аналоговым линиям связи и обратное преобразование принятого аналогового сигнала снова в цифровой (демодуляция).

  При работе модем входит в соединение с другим модемом по схеме «точка-точка» по каналу ТЧ, поэтому третий модем не может подключиться к созданному соединению. Модем должен уметь «бороться» с помехами, возникающими в канале ТЧ (тональной частоты).

Рисунок -10.  Структурная схема модема.

  Рассмотрим  назначение каждого блока схемы.

  Интерфейс с телефонной линией. Основные функции - обеспечение физического соединения, защита от перенапряжения и радиопомех, набор номера и фиксация телефонных звонков, гальваническая развязка и согласование входного и выходного сопротивлений модема с аналоговыми параметрами абонентской линии (импеданса). Перечисленные функции обеспечиваются следующим образом.

1. Соединители RJ-11 обеспечивают физическое подключение к коммуникационной телефонной линии и телефонному аппарату. В недорогих  изделиях телефон подключается параллельно входу модема, а в качественных моделях поддерживается телефон-модем, реализованное на реле.
2. Защита линии от радиопомех, излучаемых модемом выполняется на обычных LС фильтрах.
3. Для коммутируемых линий поддерживаются функции импульсного набора номера «отбоя» (постоянный ток менее 0,5мА) и «удержания линий» (постоянный ток более 8мА).
4. Важным требованием к интерфейсу с линией является обеспечение симметричности входа и его гальваническая развязка. Для этого используются трансформаторы. 
5. Согласование импеданса. Входное и выходное сопротивление модема  переменному току (300…3400 Гц) должно быть 600Ом  +/- 15% .

   Для уменьшения зависимости импеданса  от частоты устанавливают дополнительную емкость параллельно вторичной обмотке трансформатора.                                                         

  Дифференциальная  система. Цель дифференциальной системы – переход от двухпроводной линии к четырехпроводной схеме аналогового окончания модема. Узел компенсирует проникновение выходного сигнала во входной сигнал (ближнее эхо), что повышает реальную чувствительность.

  Известно  несколько типов «пассивных» реализаций:

• трансформаторная, при которой вторичная обмотка трансформатора имеет среднюю точку, подключаемую через балластный резистор к земле;
• электронные, для схем с однополярным или двуполярным питанием; в этом случае выходной сигнал вычитается из входного на операционном  усилителе, а частотная зависимость минимизируется использованием форсирующего каскада.

   Больным местом этих схем является зависимость от сопротивления конкретной телефонной линии. Несколько типов модемов имеют аппаратную подстройку, но до конца справится, с зависимостью сопротивления от частоты в пассивных системах не удается.

   Активная  дифференциальная система используется в дорогих моделях. Необходимый для компенсации эхо сигнал постоянно вычисляется сигнальным ЦАП и сглаженный фильтром, он вычитается из входного сигнала, обеспечивая высокое качество компенсации.

  Аналоговый  фронт (ЦАП – АЦП). Обеспечивает преобразование аналоговых сигналов в цифровые сигналы и наоборот. Осуществляет дополнительную фильтрацию помех.

  Сигнальный  процессор. Сигнальный  процессор выполняет основные функции по модуляции. Обеспечивает коррекцию частотных характеристик канала связи в режиме передачи данных, а также компенсацию эхо-сигналов.  Особенность сигнального процессора – операции по модуляции и демодуляции, которыми являются в основном операции сложения и умножения, выполняются процессором за один такт работы (аппаратно). Для обработки высокоскоростных данных от сигнального процессора требуется высокое быстродействие (тактовая частота не менее 30МГц)

  Контроллер. Контроллер обеспечивает реализацию протокола коррекции ошибок и сжатия информации, управление пользовательским интерфейсом и взаимодействие с сигнальным процессором.