Подключения устройства через асинхронное последовательное соединение

Как подключить внешнее устройство к ПК

В статье приведены основные способы сопряжения внешних устройств с компьютером. Дано краткое описание каждого интерфейса, указаны его сильные и слабые стороны.

Для многих проектов необходимо подключать периферийное устройство к ноутбуку или компьютеру (ПК). Раньше это реализовывалось с помощью последовательного или параллельного интерфейса, однако они на многих современных ПК заменены портом USB.
Если присмотреться внимательнее, то окажется, что USB — не единственный вариант для подключения устройств к ПК. Есть множество других разъемов, например S/PDIF, аудиовходы, Ethernet, сокет для модема, FireWire, а также беспроводные интерфейсы Wi-Fi, Bluetooth, IrDA.
Каждый их них имеет свои преимущества и недостатки. От выбора порта зависит сложность не только аппаратной, но и программной части устройства сопряжения. Также важна желаемая скорость передачи данных — чем она выше, тем более продуманной должна быть схема подключения устройства к ПК.
Рассмотрим основные особенности наиболее распространенных интерфейсов.

Асинхронный последовательный порт
Вероятно, наиболее простой способ подключить внешнее устройство к ПК — это использовать последовательный порт. Он хорош тем, что полностью интегрирован в операционную систему (ОС) и для подключения устройства обычно требуется всего лишь подсоединить три провода. Кроме того, протокол обмена довольно прост для понимания. Немаловажным фактом является то, что существует множество документации и программных средств, облегчающих работу с последовательным портом.
Следует заметить, что многие микроконтроллеры имеют один или более встроенный последовательный интерфейс (UART), совместимый с интерфейсом ПК.
К сожалению, на многих современных ПК последовательного порта как такового нет. Однако при необходимости можно воспользоваться переходниками с последовательного порта на Ethernet или USB, изображенными на рисунках 1 и 2. Эти небольшие схемы просты в использовании и не требуют дополнительных драйверов. Переходники с последовательного порта на Ethernet (последовательный сервер) более сложные и дорогие, однако обладают более широким функционалом. Например, последовательные серверы обеспечивают электрическую изоляцию сигналов, поэтому на одной схеме можно реализовать несколько разных интерфейсов, в т.ч. беспроводных.

Еще один вариант реализации последовательного порта — через Bluetooth. Этот способ немного сложнее предыдущих, однако поскольку сигнал передается по беспроводному каналу, его защищенность повышается.
Если ПК не оснащен встроенным передатчиком Bluetooth, то можно использовать внешний USB-адаптер. Заметим, что при этом на подключаемом устройстве необходимо разместить только модуль Bluetooth на последовательном выходе МК. В программную часть придется внести дополнения, реализующие соединение по протоколу Bluetooth.
Итак, последовательный порт — самый легкий в использовании, даже в случае подключения через переходник. Тем не менее у последовательных портов есть большой недостаток — невысокая скорость работы.
Если в проекте не требуется пересылки большого объема данных или команд, то на это можно не обращать внимание. При больших скоростях обмена лучше воспользоваться альтернативными портами.

Как и последовательный, параллельный порт сейчас не существует в чистом виде. Не получили широкого распространения и переходники с параллельного порта на USB. На ПК обычно есть порты расширения, которые позволяют реализовать параллельную передачу данных, однако она будет отличаться от двустороннего обмена по классическому параллельному интерфейсу. Кроме того, существует не так много руководств для работы с этим портом, что создает дополнительные сложности.
Для передачи большого количества данных лучше использовать USB, Ethernet FireWire, звуковую карту или плату расширения. Преимущество FireWire и USB заключается в том, что драйверы для их работы уже установлены на ПК. Например, для USB-устройств необходимо только правильно назначить класс. Однако в некоторых случаях это не так легко сделать, поскольку требуется внесение изменений в программную часть.
Хорошая альтернатива — Ethernet. Подключить устройство к порту легко, нужен лишь простой контроллер (от Realtek, National Semiconductor, Microchip и др.).
Для работы через интерфейс Ethernet требуется микроконтроллер с большим набором ресурсов, особенно ОЗУ. Программирование также несколько усложняется. Однако все эти проблемы подробно описаны во многих доступных источниках, что сводит к минимуму усилия разработчика.

Звуковая карта обеспечивает дуплексный обмен и имеет несколько каналов (обычно 2 или 6).
Самое важное достоинство звуковой карты перед рассмотренными нами интерфейсами — аналоговая форма сигнала и возможность работы с напряжением. Этот порт очень удобен для работы с устройствами, не содержащими микроконтроллер.
С помощью звуковой карты можно эмулировать последовательные протоколы.
Входы карты позволяют считывать напряжение, причем даже небольшое, если использовать вход микрофона.
Среди недостатков работы со звуковой картой можно назвать низкий уровень выходных сигналов. Их необходимо дополнительно усиливать. Кроме того, не все виды звуковых карт поддерживают работу с постоянными сигналами. Также при выборе этого способа сопряжения необходимо удостовериться, что диапазона частот карты хватает.

Синхронный двунаправленный порт PS/2 может использоваться как для управления внешним устройством, так и для считывания данных с него. Протокол обмена предельно прост, однако его гораздо удобнее реализовывать аппаратно через выход SPI МК, а не программно.
По умолчанию компьютер распознает данные с порта PS/2 как сигнал с клавиатуры или мыши. Следовательно, для работы с устройством необходимо пользоваться мышью или клавиатурой либо, наоборот, отсылая соответствующие команды с внешнего устройства, можно управлять курсором или печатать. Эта особенность позволяет сделать довольно много оригинальных устройств.

Инфракрасный (ИК) порт может быть использован, например, для связи ПК с мобильным телефоном. Это актуально в первую очередь для старых ПК, поскольку в более современных этот порт отсутствует (хотя можно использовать внешний USB-адаптер). С появлением таких протоколов как IrSimple или Giga-IR скорость обмена по ИК-порту значительно увеличилась, поэтому интерес к нему возвращается.
Протокол обмена по IrDA довольно сложен, поэтому 8-разрядные МК не могут с ним работать.
Достоинства интерфейса IrDA заключаются в надежности связи и защищенности сигнала. Недостатком является необходимость работы в условиях прямой видимости. К тому же, IrDA обеспечивает только полудуплексную передачу.

Мы рассмотрели основные способы подключения внешнего устройства к ПК, однако не упомянули главного. Зачастую устройство можно сделать автономным, то есть избавиться от необходимости сопряжения с ПК. В настоящее время выпущено множество миниатюрных процессорных карт (или SBC — одноплатный компьютер) со встроенными портами ввода-вывода и поддерживающих работу с Windows CE или Linux. На рисунке 3 приведен внешний вид одноплатного компьютера. Основное назначение этих карт — управление небольшими устройствами. Таким образом, в большинстве случаев проще и выгоднее воспользоваться подобной картой, настройка которой не займет более 5 мин, чем долго разбираться в программировании того или иного порта.

Как подключить однофазный двигатель

Чаще всего к нашим домам, участкам, гаражам подведена однофазная сеть 220 В. Поэтому оборудование и все самоделки делают так, чтобы они работали от этого источника питания. В этой статье рассмотрим, как правильно сделать подключение однофазного двигателя.

Асинхронный или коллекторный: как отличить

Вообще, отличить тип двигателя можно по табличке — шильдику — на которой написаны его данные и тип. Но это только в том случае, если его не ремонтировали. Ведь под кожухом может быть что угодно. Так что если вы не уверены, лучше определить тип самостоятельно.

Так выглядит новый однофазный конденсаторный двигатель

Как устроены коллекторные движки

Отличить асинхронный и коллекторный двигатели можно по строению. У коллекторных обязательно есть щетки. Они расположены возле коллектора. Еще обязательный атрибут движка этого типа — наличие медного барабана, разделенного на секции.

Такие двигатели выпускаются только однофазные, они часто устанавливаются в бытовой технике, так как позволяют получить большое число оборотов на старте и после разгона. Также они удобны тем, что легко позволяют менять направление вращения — необходимо только поменять полярность. Несложно также организовать изменение скорости вращения — изменением амплитуды питающего напряжения или угла его отсечки. Потому и используются подобные двигатели в большей части бытовой и строительной техники.

Строение коллекторного двигателя

Недостатки коллекторных двигателей — высокая шумность работы на больших оборотах. Вспомните дрель, болгарку, пылесос, стиральную машину и т.д.. Шум при их работе стоит приличный. На малых оборотах коллекторные двигатели не так шумят (стиральная машина), но не все инструменты работают в таком режиме.

Второй неприятный момент — наличие щеток и постоянного трения приводит к необходимости регулярного технического обслуживания. Если токосъемник не чистить, загрязнение графитом (от стирающихся щеток) может привести к тому, что соседние секции в барабане соединятся, мотор попросту перестанет работать.

Асинхронные

Асинхронный двигатель имеет статор и ротор, может быть одно и трёхфазным. В данной статье рассматриваем подключение однофазных двигателей, потому речь пойдет только о них.

Асинхронные двигатели отличаются невысоким уровнем шумов при работе, потому устанавливаются в технике, шум работы которой критичен. Это кондиционеры, сплит-системы, холодильники.

Строение асинхронного двигателя

Есть два типа однофазных асинхронных двигателей — бифилярные (с пусковой обмоткой) и конденсаторные. Вся разница состоит в том, что в бифилярных однофазных двигателях пусковая обмотка работает только до разгона мотора. После она выключается специальным устройством — центробежным выключателем или пускозащитным реле (в холодильниках). Это необходимо, так как после разгона она только снижает КПД.

В конденсаторных однофазных двигателях конденсаторная обмотка работает все время. Две обмотки — основная и вспомогательная — смещены относительно друг друга на 90°. Благодаря этому можно менять направление вращения. Конденсатор на таких двигателях обычно крепится к корпусу и по этому признаку его несложно опознать.

Более точно определить бифилярный или конденсаторный двигатель перед вами, можно при помощи измерений сопротивления обмоток. Если сопротивление вспомогательной обмотки больше в два раза (разница может быть еще более значительная), скорее всего, это бифилярный двигатель и эта вспомогательная обмотка пусковая, а значит, в схеме должен присутствовать выключатель или пусковое реле. В конденсаторных двигателях обе обмотки постоянно находятся в работе и подключение однофазного двигателя возможно через обычную кнопку, тумблер, автомат.

Схемы подключения однофазных асинхронных двигателей

С пусковой обмоткой

Для подключения двигателя с пусковой обмоткой потребуется кнопка, у которой один из контактов после включения размыкается. Эти размыкающиеся контакты надо будет подключить к пусковой обмотке. В магазинах есть такая кнопка — это ПНВС. У нее средний контакт замыкается на время удержания, а два крайних остаются в замкнутом состоянии.

Внешний вид кнопки ПНВС и состояние контактов после того как кнопка «пуск» отпущена»

Сначала при помощи измерений определяем какая обмотка рабочая, какая — пусковая. Обычно вывод от мотора имеет три или четыре провода.

Рассмотрим вариант с тремя проводами. В этом случае две обмотки уже объединены, то есть один из проводов — общий. Берем тестер, измеряем сопротивление между всеми тремя парами. Рабочая имеет самое меньшее сопротивление, среднее значение — пусковая обмотка, а наибольшее — это общий выход (меряется сопротивление двух последовательно включенных обмоток).

Если выводов четыре, они звонятся попарно. Находите две пары. Та, в которой сопротивление меньше — рабочая, в которой больше — пусковая. После этого соединяем один провод от пусковой и рабочей обмотки, выводим общий провод. Итого остается три провода (как и в первом варианте):

• один с рабочей обмотки — рабочий;
• с пусковой обмотки;
• общий.

С этими тремя проводами и работаем дальше — используем для подключения однофазного двигателя.

Со всеми этими

Подключение однофазного двигателя с пусковой обмоткой через кнопку ПНВС

подключение однофазного двигателя

Все три провода подключаем к кнопке. В ней тоже имеется три контакта. Обязательно пусковой провод «сажаем на средний контакт (который замыкается только на время пуска), остальные два — на крайние (произвольно). К крайним входным контактам ПНВС подключаем силовой кабель (от 220 В), средний контакт соединяем перемычкой с рабочим (обратите внимание! не с общим). Вот и вся схема включения однофазного двигателя с пусковой обмоткой (бифилярного) через кнопку.

Конденсаторный

При подключении однофазного конденсаторного двигателя есть варианты: есть три схемы подключения и все с конденсаторами. Без них мотор гудит, но не запускается (если подключить его по схеме, описанной выше).

Схемы подключения однофазного конденсаторного двигателя

Первая схема — с конденсатором в цепи питания пусковой обмотки — хорошо запускаются, но при работе мощность выдают далеко не номинальную, а намного ниже. Схема включения с конденсатором в цепи подключения рабочей обмотки дает обратный эффект: не очень хорошие показатели при пуске, но хорошие рабочие характеристики. Соответственно, первую схему используют в устройствах с тяжелым пуском (бетономешалки, например), а с рабочим конденсором — если нужны хорошие рабочие характеристики.

Схема с двумя конденсаторами

Есть еще третий вариант подключение однофазного двигателя (асинхронного) — установить оба конденсатора. Получается нечто среднее между описанными выше вариантами. Эта схема и реализуется чаще всего. Она на рисунке выше в середине или на фото ниже более детально. При организации данной схемы тоже нужна кнопка типа ПНВС, которая будет подключать конденсатор только не время старта, пока мотор «разгонится». Потом подключенными останутся две обмотки, причем вспомогательная через конденсатор.

Подключение однофазного двигателя: схема с двумя конденсаторами — рабочим и пусковым

При реализации других схем — с одним конденсатором — понадобится обычная кнопка, автомат или тумблер. Там все соединяется просто.

Подбор конденсаторов

Есть довольно сложная формула, по которой можно высчитать требуемую емкость точно, но вполне можно обойтись рекомендациями, которые выведены на основании многих опытов:

• рабочий конденсатор берут из расчета 70-80 мкФ на 1 кВт мощности двигателя;
• пусковой — в 2-3 раза больше.

Рабочее напряжение этих конденсаторов должно быть в 1,5 раза выше, чем напряжение сети, то есть, для сети 220 вольт берем емкости с рабочим напряжением 330 В и выше. А чтобы пуск проходил проще, для пусковой цепи ищите специальный конденсатор. У них в маркировке присутствует слова Start или Starting, но можно взять и обычные.

Изменение направления движения мотора

Если после подключения мотор работает, но вал крутится не в том направлении, которое вам надо, можно поменять это направление. Это делают поменяв обмотки вспомогательной обмотки. Когда собирали схему, один из проводов подали на кнопку, второй соединили с проводом от рабочей обмотки и вывели общий. Вот тут и надо перекинуть проводники.

Как все может выглядеть на практике

Последовательное и параллельное соединение

Последовательное и параллельное соединение очень широко используется в электронике и электротехнике и порой даже необходимо для правильной работы того или иного узла электроники. И начнем, пожалуй, с самых простых компонентов радиоэлектронных цепей – проводников.

Для начала давайте вспомним, что такое проводник? Проводник – это вещество или какой-либо материал, который отлично проводит электрический ток. Если какой-либо проводник отлично проводит электрический ток, то он в любом случае обладает каким-либо сопротивлением. Сопротивление проводника мы находим по формуле:

ρ – это удельное сопротивление, Ом × м

R – сопротивление проводника, Ом

S – площадь поперечного сечения, м 2

l – длина проводника, м

Более подробно об этом я писал здесь.

Следовательно, любой проводник представляет из себя резистор с каким-либо сопротивлением. Значит, любой проводник можно нарисовать так.

Последовательное соединение проводников

Сопротивление при последовательном соединении проводников

Последовательное соединение проводников – это когда к одному проводнику мы соединяем другой проводник и так по цепочке. Это и есть последовательное соединение проводников. Их можно соединять с друг другом сколь угодно много.

последовательное соединение резисторов

Чему же будет равняться их общее сопротивление? Оказывается, все просто. Оно будет равняться сумме всех сопротивлений проводников в этой цепи.

Получается, можно записать, что

формула при последовательном соединении резисторов

Пример

У нас есть 3 проводника, которые соединены последовательно. Сопротивление первого 3 Ома, второго 5 Ом, третьего 2 Ома. Найти их общее сопротивление в цепи.

Решение

То есть, как вы видите, цепочку из 3 резисторов мы просто заменили на один резистор R_AB .

показать на реальном примере с помощью мультиметра
Видео где подробно расписывается про эти соединения:

Сила тока через последовательное соединение проводников

Что будет, если мы подадим напряжение на концы такого резистора? Через него сражу же побежит электрический ток, сила которого будет вычисляться по закону Ома I=U/R.

Получается, если через резистор R_AB течет какой-то определенный ток, следовательно, если разложить наш резистор на составляющие R₁ , R₂ , R₃ , то получится, что через них течет та же самая сила тока, которая текла через резистор R_AB .

сила тока через последовательное соединение проводников

Получается, что при последовательном соединении проводников сила тока, которая течет через каждый проводник одинакова. То есть через резистор R₁ течет такая же сила тока, как и через резистор R₂ и такая же сила тока течет через резистор R₃ .

Напряжение при последовательном соединении проводников

Давайте еще раз рассмотрим цепь с тремя резисторами

Как мы уже знаем, при последовательном соединении через каждый резистор проходит одна и та же сила тока. Но вот что будет с напряжением на каждом резисторе и как его найти?

Оказывается, все довольно таки просто. Для этого надо снова вспомнить закон дядюшки Ома и просто вычислить напряжение на любом резисторе. Давайте так и сделаем.

Пусть у нас будет цепь с такими параметрами.

Мы теперь знаем, что сила тока в такой цепи будет везде одинакова. Но какой ее номинал? Вот в чем загвоздка. Для начала нам надо привести эту цепь к такому виду.

Получается, что в данном случае R_AB =R₁ + R₂ + R₃ = 2+3+5=10 Ом. Отсюда уже находим силу тока по закону Ома I=U/R=10/10=1 Ампер.

Половина дела сделано. Теперь осталось узнать, какое напряжение падает на каждом резисторе. То есть нам надо найти значения U_R1 , U_R2 , U_R3 . Но как это сделать?

Да все также, через закон Ома. Мы знаем, что через каждый резистор проходит сила тока 1 Ампер, мы уже вычислили это значение. Закон ома гласит I=U/R , отсюда получаем, что U=IR.

Теперь начинается самое интересное. Если сложить все падения напряжений на резисторах, то можно получить… напряжение источника! Он у нас равен 10 Вольт.

Мы получили самый простой делитель напряжения.

Вывод: сумма падений напряжений при последовательном соединении равняется напряжению питания.

Параллельное соединение проводников

Параллельное соединение проводников выглядит вот так.

параллельное соединение резисторов

Ну что, думаю, начнем с сопротивления.

Сопротивление при параллельном соединении проводников

Давайте пометим клеммы как А и В

В этом случае общее сопротивление R_AB будет находиться по формуле

Если же мы имеем только два параллельно соединенных проводника

То в этом случае можно упростить длинную неудобную формулу и она примет вид такой вид.

Напряжение при параллельном соединении проводников

Здесь, думаю ничего гадать не надо. Так как все проводники соединяются параллельно, то и напряжение у всех будет одинаково.

Получается, что напряжение на R1 будет такое же как и на R2, как и на R3, так и на Rn

Сила тока при параллельном соединении проводников

Если с напряжением все понятно, то с силой тока могут быть небольшие затруднения. Как вы помните, при последовательном соединении сила тока через каждый проводник была одинакова. Здесь же совсем наоборот. Через каждый проводник будет течь своя сила тока. Как же ее вычислить? Придется опять прибегать к Закону Ома.

Чтобы опять же было нам проще, давайте рассмотрим все это дело на реальном примере. На рисунке ниже видим параллельное соединение трех резисторов, подключенных к источнику питания U.

Как мы уже знаем, на каждом резисторе одно и то же напряжение U. Но будет ли сила тока такая же, как и во всей цепи? Нет. Поэтому для каждого резистора мы должны вычислить свою силу тока по закону Ома I=U/R. В результате получаем, что

Если бы у нас еще были резисторы, соединенные параллельно, то для них

В этом случае, сила тока в цепи будет равна:

Задача

Вычислить силу тока через каждый резистор и силу тока в цепи, если известно напряжение источника питания и номиналы резисторов.

Решение

Воспользуемся формулами, которые приводили выше.

Если бы у нас еще были резисторы, соединенные параллельно, то для них

Далее, воспользуемся формулой

чтобы найти силу тока, которая течет в цепи

2-ой способ найти I

Чтобы найти R_общее мы должны воспользоваться формулой

Чтобы не париться с вычислениями, есть онлайн калькуляторы. Вот один из них. Я за вас уже все вычислил. Параллельное соединение 3-ех резисторов номиналом в 2, 5, и 10 Ом равняется 1,25 Ом, то есть R_общее = 1,25 Ом.

I=U/R_общее = 10/1,25=8 Ампер.

Параллельное соединение резисторов в электронике также называется делителем тока, так как резисторы делят ток между собой.

Ну а вот вам бонусом объяснение, что такое последовательное и параллельное соединение проводников от лучшего преподавателя России.

Подробное объяснение на видео:

Похожие статьи по теме “последовательное и параллельное соединение”

Параллельное и последовательное соединение проводников

Ток в электроцепи проходит по проводникам от источника напряжения к нагрузке, то есть к лампам, приборам. В большинстве случаев в качестве проводника используются медные провода. В цепи может быть предусмотрено несколько элементов с разными сопротивлениями. В схеме приборов проводники могут быть соединены параллельно или последовательно, также могут быть смешанные типы.

Элемент схемы с сопротивлением называется резистором, напряжение данного элемента является разницей потенциалов между концами резистора. Параллельное и последовательное электрическое соединение проводников характеризуется единым принципом функционирования, согласно которому ток протекает от плюса к минусу, соответственно потенциал уменьшается. На электросхемах сопротивление проводки берется за 0, поскольку оно ничтожно низкое.

Параллельное соединение предполагает, что элементы цепы подсоединены к источнику параллельно и включаются одновременно. Последовательное соединение означает, что проводники сопротивления подключаются в строгой последовательности друг за другом.

При просчете используется метод идеализации, что существенно упрощает понимание. Фактически в электрических цепях потенциал постепенно снижается в процессе перемещения по проводке и элементам, которые входят в параллельное или последовательное соединение.

Последовательное соединение проводников

Схема последовательного соединения подразумевает, что они включаются в определенной последовательности один за другим. Причем сила тока во всех из них равна. Данные элементы создают на участке суммарное напряжение. Заряды не накапливаются в узлах электроцепи, поскольку в противном случае наблюдалось бы изменение напряжения и силы тока. При постоянном напряжении ток определяется значением сопротивления цепи, поэтому при последовательной схеме сопротивление меняется в случае изменения одной нагрузки.

Недостатком такой схемы является тот факт, что в случае выхода из строя одного элемента остальные также утрачивают возможность функционировать, поскольку цепь разрывается. Примером может служить гирлянда, которая не работает в случае перегорания одной лампочки. Это является ключевым отличием от параллельного соединения, в котором элементы могут функционировать по отдельности.

Последовательная схема предполагает, что по причине одноуровневого подключения проводников их сопротивление в любой точки сети равно. Общее сопротивление равняется сумме уменьшения напряжений отдельных элементов сети.

При данном типе соединения начало одного проводника подсоединяется к концу другого. Ключевая особенность соединения состоит в том, что все проводники находятся на одном проводе без разветвлений, и через каждый из них протекает один электроток. Однако общее напряжение равно сумме напряжений на каждом. Также можно рассмотреть соединение с другой точки зрения – все проводники заменяются одним эквивалентным резистором, и ток на нем совпадает с общим током, который проходит через все резисторы. Эквивалентное совокупное напряжение является суммой значений напряжения по каждому резистору. Так проявляется разность потенциалов на резисторе.

Использование последовательного подключения целесообразно, когда требуется специально включать и выключать определенное устройство. К примеру, электрозвонок может звенеть только в момент, когда присутствует соединение с источником напряжения и кнопкой. Первое правило гласит, что если тока нет хотя бы на одном из элементов цепи, то и на остальных его не будет. Соответственно при наличии тока в одном проводнике он есть и в остальных. Другим примером может служить фонарик на батарейках, который светит только при наличии батарейки, исправной лампочки и нажатой кнопки.

В некоторых случаях последовательная схема нецелесообразна. В квартире, где система освещения состоит из множества светильников, бра, люстр, не стоит организовывать схему такого типа, поскольку нет необходимости включать и выключать освещение во всех комнатах одновременно. С этой целью лучше использовать параллельное соединение, чтобы иметь возможность включения света в отдельно взятых комнатах.

Параллельное соединение проводников

В параллельной схеме проводники представляют собой набор резисторов, одни концы которых собираются в один узел, а другие – во второй узел. Предполагается, что напряжение в параллельном типе соединения одинаковое на всех участках цепи. Параллельные участки электроцепи носят название ветвей и проходят между двумя соединительными узлами, на них имеется одинаковое напряжение. Такое напряжение равно значению на каждом проводнике. Сумма показателей, обратных сопротивлениям ветвей, является обратной и по отношению к сопротивлению отдельного участка цепи параллельной схемы.

При параллельном и последовательном соединениях отличается система расчета сопротивлений отдельных проводников. В случае параллельной схемы ток уходит по ветвям, что способствует повышению проводимости цепи и уменьшает совокупное сопротивление. При параллельном подключении нескольких резисторов с аналогичными значениями совокупное сопротивление такой электроцепи будет меньше одного резистора число раз, равное числу резисторов в схеме.

В каждой ветви предусмотрено по одному резистору, и электроток при достижении точки разветвления делится и расходится к каждому резистору, его итоговое значение равно сумме токов на всех сопротивлениях. Все резисторы заменяются одним эквивалентным резистором. Применяя закон Ома, становится понятным значение сопротивления – при параллельной схеме суммируются значения, обратные сопротивлениям на резисторах.

При данной схеме значение тока обратно пропорционально значению сопротивления. Токи в резисторах не взаимосвязаны, поэтому при отключении одного из них это никоим образом не отразится на остальных. По этой причине такая схема используется во множестве устройств.

Последовательные коммуникационные соединения

Такие устройства, как мышь и клавиатура, подключаются прямо к компьютеру, и для этого, как правило, используется последовательное соединение. Другие уст­ройства, в частности принтеры и сканеры, могут подключаться к компьютеру либо непосредственно, либо через коммуникационную сеть, чтобы их могли совместно использовать несколько пользователей. Поскольку во многих компьютерных при­ложениях важную роль играет Интернет, компьютеры часто соединяются с ним либо непосредственно, либо через коммутируемые телефонные линии.

Далее в этой главе описываются типичные схемы последовательных коммуни­кационных соединений. Мы начнем с рассмотрения некоторых основных идей и понятий в этой области.

Модуляция и демодуляция

В электронных схемах бит кодируется электрическим сигналом, который может принимать одно из двух значений. Каналы передачи данных, по которым пересы­лаются такие сигналы, называются узкополосными. Альтернативой подобного ко­дирования нулей и единиц может выступать модуляция синусоидального несущего сигнала. Для передачи таких сигналов используются широкополосные каналы. Предположим, что частота сигнала может принимать одно из двух значений:/!, представляющее логическое значение 0, и/₂, представляющее логическое значе­ние 1. В этом случае говорят, что используется частотная модуляция, ЧМ (Fre­quency Modulation, FM). Существует и множество других схем модуляции. При фазовой модуляции, ФМ (Phase Modulation, FM) изменяется фаза несущего сиг­нала, а при амплитудной модуляции, AM (Amplitude Modulation, AM) — его ам­плитуда. При квадратурной амплитудной модуляции, КАМ (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) изменяются и амплитуда, и фаза несущего сигнала, благодаря чему возможны не две, а четыре комбинации значений. Таким образом, переда­ваемый сигнал может представлять два бита информации.

При передаче данных параметры несущего сигнала изменяются скачкообраз­но. Такой способ модуляции сигнала называется манипуляцией (keing). Соответ­ственно различают частотную, ЧМн (Frequency-Shift Keying, FSK); фазовую, ФМн (Phase-Shift Keying, PSK); амплитудную, АМн (Amplitude-Shift Keying, ASK) и квадратурную амплитудную, КАМн (Quadrature Amplitude-Shift Keying, QASK) манипуляции.

Конфигурация сигнала, передаваемая в течение одного тактового периода, име­нуется символом. При частотной модуляции используются два символа, представ­ленных синусоидальными сигналами с частотами/_t и/₂. При квадратурной моду­ляции применяются четыре символа, определяемых амплитудой и фазой сигнала. Количество символов, передаваемых за одну секунду, составляет бод (baud). Его же можно определить как количество изменений состояния сигнала в секунду. Количество бодов в секунду равняется количеству битов в секунду только в том случае, если используется двоичная схема модуляции, как в описанном выше примере частотной модуляции. Для квадратурной модуляции значение скорости передачи данных в битах вдвое больше значения в бодах, поскольку каждый сим­вол представляет два бита информации. Существуют схемы модуляции, где ис­пользуется 8,16 или более символов. В системе с 16 символами для кодирования одного символа необходимо 4 бита, а скорость передачи данных в битах вчетверо больше скорости передачи в бодах.

Синхронизация

Последовательное соединение означает, что данные пересылаются по одному би­ту за единицу времени. Для этого необходимо, чтобы передающее и принимаю­щее устройства использовали для интерпретации отдельных битов одну и ту же тактовую информацию. Когда взаимодействующие устройства расположены в не­посредственной близости друг от друга, скажем в одном помещении, и имеется несколько сигнальных линий, тактовый сигнал может передаваться одновремен­но с данными. Однако для устройств, находящихся на большом расстоянии друг от друга, такая технология пересылки неприемлема, поскольку имеется всего один сигнальный канал. Но даже в случае наличия второго канала задержки при пересылке данных и тактового сигнала могут различаться. Поэтому тактовая ин­формация и данные все равно кодируются вместе и передаются по одному кана­лу. Существует множество разнообразных схем кодирования, позволяющих при­нимающему устройству декодировать полученный сигнал и правильно выделять данные и тактовую информацию.

Реализация последовательной передачи данных осуществляется одним из двух способов. Если скорость пересылки не превышает нескольких десятков килобайтов в секунду, может применяться простая схема, в которой приемник и передатчик используют независимые тактовые сигналы одинаковой номинальной частоты. При этом не гарантируется, что два тактовых сигнала будут в точности совпадать по частоте и фазе. Поэтому такая схема называется асинхронной.

Для передачи данных на более высокой скорости применяется синхронная схема: приемник определяет используемую передатчиком тактовую частоту по расположе­нию переходов получаемого сигнала и соответственно настраивает свою тактовую частоту. В результате тактовые сигналы приемника и передатчика синхронизированы и передаваемые данные всегда распознаются правильно. Для кодирования тактовой информации, передаваемой по синхронным каналам связи, могут быть задействова­ны разные технологии. Они различаются способом использования полосы пропус­кания канала и максимальной скоростью пересылки данных.

Дуплексное и полудуплексное соединения

Коммуникационное соединение может функционировать по одной из трех сле­дующих схем:

? симплексное соединение — поддерживает передачу данных только в одном направлении;

? полудуплексное соединение — позволяет передавать данные в обоих на­правлениях, но не одновременно;

? дуплексное соединение — позволяет одновременно передавать данные в двух направлениях.

Симплексная конфигурация полезна лишь в тех случаях, когда на одном из концов канала связи располагается только принимающее или только передающее устройство, но не оба сразу. Эта конфигурация применяется редко. Обычно для передачи данных используется дуплексная или полудуплексная конфигурация, а выбор между ними зависит от требуемого соотношения экономичности и скоро­сти передачи данных.

Самое простое электрическое соединение для передачи данных состоит из двух проводов, по которым данные могут пересылаться только в одном направле­нии. Речь идет о симплексном соединении. Полудуплексное соединение создает­ся путем расположения на разных концах соединения двух переключателей, со­единяемых поочередно с передающим и принимающим устройствами. Когда за­вершается пересылка данных в одном направлении, выполняется переключение на другое направление. За управление переключателями отвечают устройства, расположенные на концах соединения.

Дуплексное соединение может состоять из четырех проводов, по два на каждое направление передачи. Возможно также использование двухпроводного соедине­ния с двумя непересекающимися полосами частот. Две полосы частот создают два канала передачи, по одному на каждое направление. В качестве альтернативы мож­но использовать общую полосу частот, если на концах соединения будет работать устройство, называемое гибридом (hybrid). Гибрид разделяет сигналы, передавае­мые в разных направлениях, чтобы они не влияли друг на друга. Такая схема пе­редачи данных применяется в коммутируемых телефонных соединениях.

В случае синхронной полудуплексной связи при изменении направления пе­редачи данных происходит задержка, поскольку передающий модем должен пе­редать инициализационную последовательность сигналов, чтобы принимающее устройство адаптировалось к новому состоянию канала. Длительность этой за­держки зависит от параметров модема и канала связи и лежит в диапазоне от не­скольких до сотен миллисекунд.

Все вышесказанное относится к характеристикам линий связи и модемов. Дру­гими важными факторами, от которых зависит выбор между полудуплексным и дуплексным соединением, является природа трафика данных и способ реакции системы на ошибки при передаче. Мы обсудим только первый из этих факторов.

При работе со многими приложениями необходимо, чтобы компьютер полу­чил входные данные, обработал их и вернул выходные данные. Требованиям та­ких приложений прекрасно удовлетворяет полудуплексная связь. Однако если выполняется частый обмен короткими сообщениями, задержка на переключение направления передачи данных начинает существенно отражаться на скорости ра­боты. Поэтому во многих приложениях используют дуплексные соединения, хотя данные никогда не передаются в обоих направлениях одновременно.

В некоторых ситуациях очень удобна одновременная передача данных в двух направлениях. Например, в системе на рис. 10.2 пользователь может непосредст­венно взаимодействовать с сетевым сервером, используя свой компьютер в качест­ве терминала. Каждый вводимый с клавиатуры символ должен также отображать­ся на дисплее компьютера. Это может осуществляться локально самим компьюте­ром или удаленно сетевым сервером. Если это делается удаленно, необходимы средства автоматического контроля принимаемых данных, гарантирующие от­сутствие ошибок. При использовании в такой ситуации полудуплексной связи пересылку очередного введенного символа придется откладывать до получения предыдущего символа. В случае применения дуплексной связи этого ограниче­ния не будет. Еще одним примером ситуации, когда удобна дуплексная связь, яв­ляется соединение узлов высокоскоростной компьютерной сети. Сообщения, пе­ресылаемые через конкретное соединение в двух направлениях, могут быть никак не связаны между собой. Поэтому их можно передавать одновременно.