Варианты последовательных интерфейсов.

На физическом уровне последовательный интерфейс имеет различные реализации, которые различаются способом последовательной передачи электрического сигналов. Существуют ряд международных стандартов родственных RS-232C, RS-423A, RS-422Aи RS-485., в этих стандартах сигнал пред, потенциалом. Существует, последовательность интерфейсов, где информативеный ток, протекающий по общей сети, передатчик приема. Где сигнал представляется током. Такое представление сигнала называется токовая петля. В виде изменений тока сигнал представляетьтся и в интервейся миди (Существуют последовательные интерфейсы, где информативен ток, протекающий по общей цепи передатчик-приемник — 4токовая петля» и MIDI. ) В качестве представления сигнала в виде тока изпользуются итерфейс миди.

Токовая петля – является распространённым вариантом последовательного интерфейса, в ней электрическим сигналом является не уровень напряжения относительно общего провода, а ток в двухпроводной линии, соединяющей приемник и передатчик.

Логической единице (состоянию «включено») соответствует протекание тока 20 мА, а логическому нулю — отсутствие тока.

Такое представление сигналов, для формата асинхронной посылки, позволяет обнаружить обрыв линии — приемник заметит отсутствие стоп-бита (обрыв линии действует как постоянный логический нуль).

Токовая петля обычно предполагает гальваническую развязку входных цепей приемника от схемы устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком). Возможно и питание и от приемника (активный приёмник), при этом выходной ключ передатчика, может быть также гальванически развязан с остальной схемой передатчика.

Токовая петля с гальванической развязкой позволяет передавать сигналы на расстояния до нескольких километров.

Расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех.

Поскольку интерфейс требует пары проводов для каждого сигнала, обычно используют только два сигнала интерфейса. В случае двунаправленного обмена применяются только сигналы передаваемых и принимаемых данных, а для управления потоком используется программный метод XON/XOFF. Если двунаправленный обмен не требуется, используют одну линию данных, а для управления потоком обратная линия задействуется для сигнала CTS (аппаратный протокол) или встречной линии данных (программный протокол).

При надлежащем ПО одной токовой петлей можно обеспечить двунаправленную полудуплексную связь двух устройств.

При этом каждый приемник «слышит» как сигналы передатчика на противоположной стороне канала, так и сигналы своего передатчика. Они расцениваются коммуникационными пакетами просто как эхо-сигнал. Поэтому для безошибочного приема передатчики должны работать поочередно

Беспроводные интерфейсы.

Инфракрасный интерфейс IrDA.

Радиоинтерфейс Bluetooth

Беспроводные (wireless) интерфейсы позволяют освободить устройства от связывающих их интерфейсных кабелей, что особенно привлекательно для малогабаритной периферии, по размеру и весу соизмеримой с кабелями. В беспроводных интерфейсах используются электромагнитные волны инфракрасного (IrDA) и радиочастотного (Bluetooth) диапазонов. Кроме этих интерфейсов периферийных устройств существуют и беспроводные способы подключения к локальным сетям

Применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позволяет осуществлять беспроводную связь между парой устройств, удаленных на расстояние нескольких метров. Основными достоинствами инфракрасной связи является:

1. Безопасно для здоровья

2. Не создает помех в радиочастотном диапазоне

3. Обеспечивает конфиденциальность передачи

Недостатки

1. Ограниченная зона приема передачи данных

2. Высокое энергопотребление

3. Низкая скорость передачи данных

Различают инфракрасные системы низкой (до 115,2 Кбит/с), средней (1,152 Мбит/с) и высокой (4 Мбит/с) скорости.

Низкоскоростные системы служат для обмена короткими сообщениями, высокоскоростные — для обмена файлами между компьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода на принтер и т.д.

В 1993 году была создана ассоциация IrDA (Infrared Data Association — ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных), призванная обеспечить совместимость оборудования от различных производителей. В настоящее время действует стандарт IrDA 1.1, наряду с которым существуют собственные стандарты различных производителей.

IRDA спецификации включают спецификации физического уровня. IRPHY.

Протокольные спецификации .

Аппаратная реализация, как правило, представляет собой пару из излучателя, в виде инфракрасного светодиода, и приемника, в виде фотодиода расположенных на каждой из сторон линии связи. Наличие и передатчика и приемника на каждой из сторон является необходимым для использования протоколов гарантированной доставки данных.

Излучателем для ИК-связи является светодиод с длиной волны 880 нм; свето- диод дает конус излучения с углом около 30°.

В качестве приемника используют PIN-диоды, эффективно принимающие ИК-лучи в конусе 15°.

Спецификация IrDA определяет требования к мощности передатчика и чувствительности приемника; для приемника задается как минимальная, так и максимальная мощность инфракрасных лучей. Импульсы слишком малой мощности приемник не воспримет, слишком большая мощность «ослепляет» приемник – принимаемые импульсы сольются в неразличимый сигнал.

Кросе полезного сигнала на приемнк воздейстуют помехи. Возд солнечнымм излуч, лампами накаливания, помехи от люминисцентых ламп.

Помимо полезного сигнала на приемник воздействуют помехи, в том числе засветка от солнечного освещения или ламп накаливания, дающая постоянную составляющую оптической мощности, и засветка от люминесцентных ламп, дающая переменную (но низкочастотную) составляющую. Эти помехи приходится фильтровать. Поскольку передатчик почти неизбежно вызывает засветку своего же приемника, вводя его в насыщение, приходится прибегать к полудуплексной связи с определенными временными зазорами при смене направления обмена.

Для передачи сигналов используют двоичную модуляцию (есть свет — нет света) и различные схемы кодирования. Спецификация IrDA определяет многоуровневую систему протоколов, которую рассмотрим снизу вверх. Самый нижний физический уровень. Над физическим уровнем располагается протокол доступа. Над протоколом доступа протокол управления соединением. Далее протокол транспортного уровня.

Приемопередатчик IrDA может быть подключен к компьютеру различными способами; по отношению к системному блоку он может быть как внутренним (размещаемым на лицевой панели), так и внешним, размещаемым в произвольном месте. Размещать приемопередатчик следует с учетом угла «зрения» (30° у передатчика и 15° у приемника) и расстояния до требуемого устройства (до 1 м).
Внутренние приемопередатчики на скоростях до 115,2 Кбит/с (IrDA SIR, HP- SIR, ASK IR) подключаются через обычные микросхемы UART, совместимые с 16450/16550 через сравнительно несложные схемы модуляторов-демодулято- ров. В ряде современных системных плат на использование инфракрасной связи (до 115,2 Кбит/с) может конфигурироваться порт COM2. Для этого в дополнение к UART чипсет содержит схемы модулятора и демодулятора, поддерживающие один или несколько протоколов инфракрасной связи. Чтобы порт COM2 задействовать для инфракрасной связи, в CMOS Setup требуется выбрать соответствующий режим (запрет инфракрасной связи означает обычное использование COM2). Существуют внутренние адаптеры и в виде карт расширения (для шин ISA, PCI, PC Card), для системы они выглядят как дополнительные СОМ-порты.

На средних и высоких скоростях обмена применяются специализированные микросхемы контроллеров IRDA которые ориентированы на интенсивный программно- управляемый обмен или на режим прямого доступа к памяти DMA. В этом случае обычный прием передачи не может быть использован, так как не поддерживает синхронный режим и высокую скорость обмена.

IrPHY (Infrared Physical Layer Specification) — представляет обязательный протокол самого низкого уровня среди спецификаций IrDA. Соответствует физическому уровню сетевой модели OSI

Основные характеристики спецификации IrPHY выглядят следующим образом:

• Дальность: не менее одного метра.
• Минимальное поддерживаемое отклонение от оси приемника/передатчика: не менее 15°.
• Скорость передачи данных: от 2.4 кбит/c до 16 Мбит/c (100 Mбитная версия находится в разработке).
• Модуляция: немодулированный сигнал, без несущей.
• Волновой диапазон: от 850 до 880 нанометров.
• Режим передачи данных: полудуплексный.

Радио интерфейс Bluetooth.

(Синий зуб)

(Bluetooth SIG – Bluetooth Special)

Основные характеристики интерфейса

Компания AIRcable выпустила Bluetooth-адаптер Host XR с радиусом действия около 30 км.

Каждое БТ-устройство имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диапазоне частот 2,4 ГГц.

Для БТ используют радио каналы с дискретной частотной модуляцией. Несущая частота каналов 2402 + k (МГц), где k = 0, 78. Кодирование канала простое логической единице соответствует положительная девиация частоты, нулю — отрицательная. Девиация частоты – наибольшее отклонение мгновенной частоты модулированного радио сигнала, при частотной модуляции, от значения его несущей частоты.

Передатчики могут быть трех классов мощности.

До 1, 2,5 и 100 МВт, предусматривается возможность понижения мощности с целью экономии энергии. Передача ведется с перескоком несущей частоты с одного радио канала на другой, что помогает в борьбе с интерференцией и замиранием радио сигнала.

Физический канал связи представляется определенной псевдослучайной последовательностью используемых радиоканалов. Группа устройств разделяющих один канал, то есть знающих одну и ту же последовательность перескоков, образуют ПИКАСЕТЬ, в которую могут входить от 2 до 8 устройств, в каждой ПИКА сети находиться одно ведущее устройство и до 7 активных ведомых устройств . Кроме того, в зоне охвата ведущего устройства в его же пикосети могут находиться «припаркованные» ведомые устройства: они тоже «знают» последовательность перескоков и синхронизируются (по
перескокам) с ведущим устройством, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока ведущее устройство не разрешит им активность.

Каждое активное устройство пикосети имеет свой временный номер от 1 до 7.

Когда ведомое устройство деактивируется (паркуется) оно отдает свой номер для использование другим. При последующей активации оно может получить другой номер, то есть номер являться временным. Пика сети могу перекрываться зонами обхвата, образуя разбросанную сеть, при этом в каждой пика сети ведущее устройство только одно, но ведомые устройтсва могу входить в несколько пика сетей, используя разделения времени, то есть часть времени устройство работает в одной пикасети часть в другой пика сети.

Ведущее устройство одной пика сети может быть ведомым устройством другой пика сети. Эти пика сети ни как не синхронизированы, каждая использует свой канал и свою последовательность перескоков.

Канал в свою очередь делиться на тайм слоты, длительностью 625 микросекунд, слоты последовательно нумеруются с цикличностью 2²⁷. Каждый тайм-слот соответствует одной частоте несущей в последовательности перескоков базового канала (1600 перескоков в секунду). Последовательность перескоков определяется адресом ведущего устройства пика сети. Передачи ведутся пакетами, каждый пакет может занимать от одного до 5 тайм слотов, если пакет длинный, то он весь передается на одно частоте несущей, но отчет слотов по 625 микросекунд продолжается и после длинного пакета следующая частота будет соответствовать очередному номера слота. Ведущие и ведомые устройства ведут передачу поочередному. В чётных слотах передачу ведёт несущее устройство а в нечётных адресованное им ведомое устройство.

Между ведущем и ведомыми устройствами могу устанавливаться физические связи двух типов

1 синхронные

2 асинхронные

1) Иногда их называют изохронные – с установление соединения scolink используются для передачи изохронного трафика. Например, оцифрованного звука.

Эти связи типа точка точка предварительно устанавливают ведущее устройство с выбранными ведомыми устройствами и для каждой связи определяется период в слотах, через который для нее резервируются слоты, связи получаются симметричными двухсторонними, повторная передача пакета в случае ошибок, не производиться.

Ведущее устройство может установить до 3 связей SCO с одним или разными ведомыми устройствами или иметь по одной связи SCO с двумя различными ведущими устройствами. По сетевой классификации связи SCO относятся к связям с коммутации цепей.

2) Асинхронные связи без установления соединения ACL link реализуют коммутацию пакетов точка – множество точек. Между ведущим устройством и всеми ведомыми устройствами пика сети, ведущее устройство может связываться с любым из ведомых устройств пикосети, слотах, не занятых под SCO послав ему пакет и потребовав ответа, ведомое устройство имеет право на передачу, только получив обращенный к нему запрос ведущего устройства. Для большинства типов пакетов предусматривается повторная передача в случае обнаружение ошибки приема. Ведущее устройство может посылать и безадресные широковещательные пакеты для всех ведомых устройств своей ПИКА сети. С каждым из своих ведомых устройств ведущее устройство может только одну связь ASL. При установлении асинхронной связи, информация передаётся пакетами в которой поле данных может иметь длину от 0 до 2745 бит, для связи ASL предусмотрено несколько типов пакетов с защитой CARC кодом в случае обнаружения ошибки предусматривается повторная передача , и один беззащитный – без повторных передач. Для связей SCO данные не защищаются сиарсикодом и следовательно повторной передачи при ошибки не предусмотрено. Защита данных от искажения и контроль достоверности производиться несколькими способами. Данные некоторых типов защищаются СИарсикодом и приемник информации должен подтверждать прием правильного пакета или сообщить об ошибке приема. Для сокращения числа повторов применяется кодирование RSC. В схеме FEC каждый полезный бит передается трижды , что позволяет выбрать наиболее достоверный вариант мажорированием (совпадением двух из трех копий).FEC 2-3 использует код Хэмминга, что позволяет исправлять все однократные и обнаруживать все двукратные ошибки в каждом 10 битном блоке. Каждый голосовой капал SCO обеспечивает скорость по 64 Кбит/с в обоих направлениях. В канале может использоваться кодирование в формате импульсно -кодовая модуляция , или вариант адаптивной дельта-импульсно-кодовой модуляции. Кодирование импульсно-кодовой модуляции допускает компрессию по стандарту G-711 она обеспечивает низкое качество сигнала, 8-битные выборки с частотой 8 к/с (киловыборок в секунду). Кодер CVSD(дельта-имульсно-кодовая модуляция) предлагает более высокое качество — он упаковывает входной РСМ-сигнал с частотой выборок 64 к/с, однако и при этом спектральная плотность сигнала в полосе частот 4-32 кГц должна быть незначительной. Для передачи высококачественного аудиосигнала голосовые (речевые) каналы ВТ непригодны, для них предназначены SCO или изохронные каналы ACL.

Для передачи более качественного аудио сигнала речевые каналы Bluetooth не пригодны, но сжатый сигнал, например поток МП3 можно передавать по асинхронному каналу. Асинхронный канал может обеспечивать макс скорость723.2 кбит/с -асимметричная конфигурация, 433,9 Кбит/с в каждую сторону в симметричной конфигурации.

Аутентификация и шифрования данных на уровне связи в Bluetooth.

Важной частью ВТ является протокол обнаружения сервисов (Service Discovery Protocol, SDP), позволяющий устройству найти «интересного собеседника». В дальнейшем, установив с ним соединение, устройство сможет воспользоваться требуемыми сервисами (например, выводить документы на печать, подключаться к Сети и т. п.).. Стандарт Bluetooth использует протокол RFCOMM он т обеспечивает эмуляцию последовательного порта (9-про- водного RS-232) через L2CAP. С его помощью традиционные кабельные соединения устройств (в том числе и нуль-модемные) могут быть легко заменены радиосвязью без каких либо модификаций ПО верхних уровней.

Протокол позволяет устанавливать и множественные связи (одного устройства с несколькими), в этом случае радиосвязь заменит громоздкие и дорогие мультиплексоры и кабели. Кроме этого протокола в интерфейсе БТ используется бит ориентированный протокол TCS BIN определяющий сигнализацию вызова для связи ВТ-устройств (речевой связи и обмена данными), тоже работает через L2CAP.

Стандарты БТ:

(спецификации) БТ 1.0 1998 год, 1.1 – 1999, 1.2 , 2.0 – 2004, для стандарта 1.2 скорость передачи 721 кбит/с, для стандарта 2.0 – 3 мбит/с, (2,1 ср. скорость)

БТ 3.0 2009 – до 24мбит/с

Совместима со стандартом 802.11 .

В начале 2010 года появился стандарт 4.0, характеризующийся низким энергопотреблением за счет специального алгоритма работы. В основном предназначен для использования в миниатюрных электронных датчиках.

Инициализация БТ соединения

Три этапа

1. Генерация ключа

2. Генерация ключа связи link key

3. Аутентификация

Первые два пункта входят в процедуру паркинга( сопряжения процесс связи двух или более устройств с целью создания единой секретной величины (Kinit)которую в дальнейшем будут использовать для общения). Создание ключа Kinit начинается сразу после того, как были введены PIN-коды.

2) Для создания ключа связиKab устройства связи обмениваются 128 битными специальными словами генерируемыми случайным образом. Далее следует побитовый XOR с ключом инициализации Kinit. Далее осуществляется обмен полученным значением, и только после этого происходит вычисление ключа связи по алгоритму E21 .После этого паркинг заканчивается и начинается последний этап инициализации БТ - взаимная аутентификация, происходит по схеме вопрос – ответ, одно из устройств становиться верификатором (проверяющим), генерирует случайную величину, и посылает его соседнему устройству, как только предъявитель получает это слово, начинается вычисление специально величины по алгоритму E1, и она отправляется верификатору. Верификатор тоже осуществляет аналогичные вычисления это величины и сравнивает его с ответом отправителя, если все хорошо , устройства меняются местами и процесс повторяется заново.

Радиус работы БТ устройств не превышает 15 метров. Фактически в зоне прямой видимости.

http://studysphere.ru/work.php?id=6190