Môđun giao diện liên quan tới việc di chuyển thông tin giữa các mức trong hệ thống, cung cấp giao diện ở các mức: bộ điều khiển- thiết bị ngoại vi và ở tại mức cao nhất người-máy.

Khi một bộ vi xử lý được dùng để điều khiển một hệ thống nào đó, nó phải nhận thông tin nhập, đáp ứng nó và tạo các tín hiệu xuất để thực hiện hoạt động điều khiển theo yêu cầu. Ví dụ, đầu vào có thể lữ bộ cảm biến và đầu ra tới các thiết bị ngoài như rơle và moto. Thuật ngữ thiết bị ngoại vi (peripheral devices) dùng cho một thiết bị bên ngoài như bộ cảm biến, bảng điều khiển (giao diện người-thiết bị), bộ kích động, V...V. Tuy nhiên, thường các thiết bị ngoại vi không được nối trực tiếp với hệ thống buýt của vi xử lí do khả năng thiếu tương thích về mức và dạng tính hiệu, Vì lí do đó một mạch ghép nối gọi là giao diện được sử dụng giữa thiết bị ngoại vi và bộ vi xử lý, Hình 2.81 minh hoạ cách sắp đặt, giải quyết sự không tương thích về giao diện.

1 Giao diện

1.1 Thuật ngữ

Giao diện là thuật ngữ chỉ biên giới chung giữa hai hệ thống thành phần (như hình 2,84), Trong một hệ thống cơ diện tủ đơn giản có thể có một số lượng giao diện.

Bít: dạng đơn giản nhất của dữ liệu là bít, có thể lấy giá trị là 1 hoặc 0, vì vậy được gọi là dữ liệu nhị phân. Tất cả các thông tin trong máy tính số hiện đại, dữ liệu đều được lưu theo nhị phân.

Byte: một lượng bít (thường là 8 bít) được máy tính coi như là một đơn vị dữ liệu,

Kí tự (character): theo lịch sử, thông tin được biểu diễn dưới dạng các kí tự. Một kí tự là thành phần của tập hợp các kí tự. Mã kí tự (character code): các kí tự riêng lẻ tù bộ kí tự được chọn lọc được mã hóa trong máy tính số như các số nhị phân. Một trong các bộ mã kí tự thường được sử dụng nhất là bộ mã chuẩn của Mỹ dùng để trao đổi thông tin (ASCII),

Tốc độ bit &bit (rate & bant rate): tốc độ bit là tốc độ truyền dữ liệu , đượchiển thị là số lượng bít dữ liệu trên giây với đơn vị đo bps hoặc kbps (1,000bps)  và Mbps (1.000.000bps), Tốc độ (baud) lá số lần thay đổi về trạng thái điện cực có thể xảy ra mỗi giây trong mạch truyền thông. Theo định ước truyền thông RS- 232C, 300 bình thường tương đương với 300 bít một giây (bps), nhưng ở tốc độ (baud) cao hơn thì số lượng bít được truyền đi trong mỗi giá thường bằng gấp đôi tốc độ baud vì hai bit dữ liệu có thề được truyền di ưong mồi lần thay đổi của trạng thái mạch.

1.2 Những yêu cầu về giao điện

Sau đây là một số hoạt động thường được yêu cầu ở một mạch giao diện:

Cách diện/dệm (electrical buffering,!isolation) cần thiết khi thiết bị ngoại vi hoạt động ở một diện áp hoặc dòng khác với nguồn/dòng ở hệ thống buyt vi xử lí. Đầu ra bộ vi xử lý là một tín hiệu rất nhỏ, có thể được dùng để điều khiển, thông qua mạch ghép nối, một công suất đầu ra lớn hơn nhiều ( một lò điện hay một động cơ), cho nên thường có sự cách li giữa bộ vi xử lí và hệ thống công suất cao hơn.

Điều khiển định giờ (timing control) cần thiết khi tốc độ truyền của thiết bị  ngoại vi và bộ vi xử lý khác nhau. Ví dụ, khi ghép nối một bộ vi xử lý với một thiết bị ngoại vi chậm hơn, phải dùng một chương trình trì hoãn hoặc dùng những đường riêng biệt giữa bộ vi xử lý và ngoại vi để điều khiển thời gian truyền. Những đường này được gọi là đường thiết lập quan hệ (handshake) và quá trình là quá trình thiết lập quan hệ .

Chuyển đổi mã (code conversion) cần thiết khi mã dùng cho ngoại vi khác với mã dùng cho bộ vi xử lý. Ví dụ, các bộ phận hiển thị màn hình và máy in đòi hỏi các mã có thể thể hiện chữ cái và ký tự như trên một bàn phím chuẩn, đó là mã ASCII 7- bít (mã chuẩn của Mỹ dùng cho trao đổi thông tin). Ví dụ, số 0 có mã ASC II là 0110000, số 1 là 01 10001 chữ A có mã 1000001, và chữ B có mã là 1000010. Để sử dụng bộ vi xử lý, yêu cầu có sự chuyển đổi mã: 0110000 thành 0000,0110001 thanh 0001 và 1000010 thành 1011.

Thay đổi số lượng đường: các bộ vi xử lý hoạt động trên một chiều dài từ cố định 4 bit, 8 bit hay 16 bít. Điều này quyết định số đường buyt dữ liệu của bộ vi xử lý. Thiết bị ngoại vi có thể có số lượng đường khác vì đòi hỏi chiều dài từ đài
hơn của bộ vi xử lý.

Truyền dữ liệu nối tiếp sang song song và ngược lại: truyền dữ liệu từ bộ xử lí tới ngoại vi có thể là truyền song song hoặc nối tiếp (đường truyền diện thoại). Truyền dữ liệu nối tiếp chậm hơn truyền song song, do vậy, nếu phương pháp truyền dữ liệu nối tiếp được sử dụng, cần thiết phải chuyến dữ liệu nối tiếp vào thành dữ liệu song song cho bộ vi xử lý, và ngược lại cho các dữ liệu xuất từ bộ vi xử lý.

Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và ngược lại: tín hiệu ra từ các cảm biến thường là tín hiệu tương tự, yêu cầu được chuyển sang tín hiệu số cho bộ vi xử lí. Tín hiệu ra của một bộ vi xử lý là tín hiệu số và tín hiệu này có thể được chuyển sang tín hiệu tương tự để vận hành một số bộ kích truyền động. Chuyển đổi các thức diện áp/dòng: có thể cần thiết chuyển đổi các mức điện áp/ dòng điện vào và ra thành những giá trị hợp lý hơn.

1.3 Hệ thống bản đồ nhớ (memory-mapped system)

Nhìn chung, các bộ vi xử lý sử dụng các buyt như nhau cho cả bộ nhớ và truyền xuất/nhập. Với hệ thống bản đồ nhớ (thuật ngữ chỉ sự phân bố tuỳ ý các đoạn của bộ nhớ bằng cách xác định những vùng được sử dụng cho những mục định xác định), chức năng của các công xuất /nhập được coi như là bộ nhớ mà mổi cổng được định một hay nhiều địa chỉ. Chỉ thị STA cộng một địa chỉ cổng xuất theo đó gửi dữ liệu tới một cổng xuất, chỉ thị LDA cộng một địa chỉ nhập dữ liệu từ một cổng nhập. Các giải pháp đối với bân đổ nhớ là đầu nhập/xuất được cách ly, trong do bộ nhớ và các địa chỉ xuất nhập được giải mã riêng và gán đầu vàolra , các cổng xuất/ nhập được kích hoạt bởi các chỉ thị cụ thể. Hệ thống bản đồ nhớ được sử dụng phổ thông và có thể sử dụng với bất cứ bộ vi xử lý nào, còn giải pháp đầu xuất/nhập cách ly chỉ có thể áp dụng với các bộ vi xử lý được thiết kế chuyên dụng cho giải pháp có chỉ thị VÀO (IN)và RA (OUT) riêng biệt (như intel).

1.4 Các chuyển giao qua đa cổng (multiport-transfer)

Một số thiết bị ngoại vi yêu cầu vài cổng xuất/ nhập có thể đo từ dữ liệu của ngoại vi đài hơn từ của CPU. Khi đó CPU phải truyền dữ liệu theo các đoạn, ví đụ, nếu yêu cầu thông tin xuất 16 bít với một CPU 8 bit thì các thủ tục là:

+ CPU chuẩn bị tám bít tín hiệu cao của dữ liệu.

+ CPU gửi tám bit dữ liệu cao đến cổng thứ nhất.

+ CPU chuẩn bị tám bít thấp còn lại của dữ liệu.

+ CPU gửi tám bit đữ liệu thấp còn lại đến cổng thứ 2.

Như vậy, sau một thời gian trễ, tất cả 16 bits dữ liệu được truyền đến thiết bị ngoại vi.

1.5 Các bộ tương hợp giao diện- ngoại vi (periferal interface adapter)

Các mạch giao diện có thể được thiết kế cho các đầu nhập/xuất cụ thể, tuy nhiên, các thiết bị giao diện khả trình đang có trên thị trường cho phép tùy chọn các đầu nhập/xuất thông qua công cụ phần mềm. Những thiết bị như vậy được biết như các bộ tương hợp giao diện với ngoại vỉ (PIA). Một giao diện song song PIA thường được sử dụng là Motorola 6820. PIA chiếm bốn vị trí bộ nhớ và có thể gắn liền trực tiếp tới các buyt Motorola 6800. Nó gổm hai cổng, A và tì, với xu hướng đặt A - cổng nhập và B- cổng xuất. Mỗi cổng có:

+ Mỗi thanh ghi dữ liệu thiết bị ngoại vi: một cổng xuất phải hoạt động theo cách thức khác với một cổng nhập do dữ liệu phải được giữ cho thiết bị ngoại vi. Vì vậy đối với đầu xuất, một thanh ghi được sử dụng để lưu tạm thời dữ liệu xuất. 111 anh ghi được gọi là ghi, tức được nối khi cổng được sử dụng cho xuất và không ghi khi được sử dụng cho nhập.

+ Một thanh ghi hướng dữ liệu quyết định các đường nhập/xuất là các đầu vào hoặc ra.

+ Một thanh ghi điều khiển xác định các nối kết logic hiện thời trong ngoại vi và nó cũng chứa các bit DỮ LIỆU SẴN SÀNG hoặc NGOẠI VI SÀN SÀNG.

+ Hai đường điều khiển: CA1 và CA2 hoặc CB1 và CB2. Chúng là các đường thiết lập quan hệ.

Hình 2.85 thể hiện kết cấu cơ sở của bộ tương hợp giao diện ngoại vi - Motorola 6820 PIA với các kết nối qua chán ghim. Mỗi một bít trong các thanh ghi điều khiển cổng A và B liên quan đến một số điểm đặc trưng hoạt động của các cổng:

+ Bít 0 và bít 1: điều khiển phương thức mà các đường thiết lập quan hệ đầu vào CAI và CA2 hoạt động.

+ Bít 2 xác định liệu thanh ghi hướng dữ liệu hoặc thanh ghi dữ liệu thiết bị ngoại vi được gọi

+ Bít 3,4 và bít 5 cho phép PIA thực hiện một số chức năng.

+ Bít 5 quyết định đường diều khiển 2 là đầu nhập hay xuất. Bit 3 và bit 4 quyết định liệu đầu ra (tín hiệu ngắt) được kích hoạt và các chuyển tiếp nào thiết lập bit 6.

+ Bít 6 là cờ ngắt CA2(CB2), được thiết lập bởi chuyển tiếp trên CA2(CB2).

+ Bit 7 là cờ ngắt CAl(CBl), được xóa khi bộ vi xử lý doc thanh ghi dữ liệu A(B).

Quá trình tuyển các lựa chọn nào được sử dụng thuật ngữ gọi là định cấu hình (configuring) hay khởi chạy (initialising) PIA. Kết nối RESET được sử dụng để xóa tất cả thanh ghi của PIA. Sau đó PIA phải được định cấu hình.

Khởi chạy PIA

Trước khi P1A được đưa vào sử dụng, một chương trình phải được ghi và sử dụng với các điều kiện được thiết lập cho dòng dữ liệu ngoại vi yêu cầu. Chương trình PIA được dật tại bắt đầu chương trình chính, như vậy bộ vi xử lý có thể đọc dữ liệu của thiết bị ngoại vi. Chương trình khởi chạy như vậy chỉ chạy duy nhất lần đầu tiên.

Chương trình khởi chạy có thể gồm các bước sau để thiết lập cổng nào là nhập, cổng nào là xuất:

Xoá sạch bít 2 của mổi thanh ghi điều khiển bằng một Reset, như vậy các thanh ghi hướng dữ liệu được gọi tới. Thanh ghi hướng dữ liệu A được ghi địa chỉ là XXX0 và thanh ghi hướng dữ liệu B là XXX2.

Đối với A là một cổng nhập, nạp tất cả 0s vào trong thanh ghi hướng A.

Đối với B là một cổng xuất, nạp tất cả 1s vào trong thanh ghi hướng B.

Nạp 1 vào trong bit 2 của cả hai thanh ghi điều khiển , thanh ghi dữ liệu A bây giờ được gọi là XXX0 và thanh ghi dữ liệu B là XXX2.

Như vậy một chương trình khởi chạy gán phía A, dầu nhập và phía B, đầu xuất, có thể được thiết lập lại (reset) như sau:

Dữ liệu thiết bị ngoại vi bây giờ có thể được đọc từ cổng nhập A với chỉ lệnh LDAA 2000 và bộ vi xử lý có thể ghi dữ liệu thiết bị ngoại vi đến cổng xuất B với chỉ lệnh STAA 2002.

1.6 Kiểm soát vòng và các ngắt

Xét trường hợp nơi các truyền dữ liệu nhập/xuất được điều khiển bởi chương trình. Khi các thiết ngoại vi cần chú ý, chúng hiệu cho bộ vi lí bằng cách thay đổi mức điện áp của một đường nhập. Khi ấy bộ vi xử lý có thể đáp ứng lại bằng cách nhảy đến một thủ tục chương trình hỗ trợ cho thiết bị, khi hoàn thành thủ tục, quay về chương trình chính. Chương trình điều khiển nhập/xuất như vậy là vòng lặp đọc tín hiệu vào và cập nhật tín hiệu ra liên tục, với các bước nhảy tới thủ tục hỗ trợ khi có yêu cầu. Quá trình này kiểm lại mỗi thiết bị ngoại vi xem nó đã sẵn sàng gửi hay chấp nhận một byte dữ liệu mới gọi là kiểm soát vòng (polling).

Một giải pháp điều khiển bằng chương trình là điều khiển ngắt (interrup control). Một ngắt thể hiện một thiết bị ngoại vi đang hoạt động, thỉnh cầu một đường yêu cầu ngắt riêng biệt. Sự chấp nhận một kết quả ngắt trong bộ vi xử lý theo sự thực hiện của chương trình chính và nhảy đến một thủ tục hỗ trợ cho thiết bị ngoại vi- hình 2.86.

Ngắt không được dẫn đến mất dữ liệu và một thủ tục điều khiển ngắt phải được kết hợp chặt chẽ trong phần mềm, như thể trạng thái của các thanh ghi xử lí và địa chỉ mới nhất đã truy cập trong chương trình chính được lưu ở những vị trí nhạy cảm của bộ nhớ. Sau các thủ tục hỗ trợ ngắt, nội dung của bô nhớ được khôi phục và bộ vi xử lý tiếp tục thực hiện chương trình chính tại nơi đã ngắt.

Một bộ vi xử lý thông thường có ba kiểu đường ngắt khác nhau sau:

1. Thiết lập lại (RESET)
2. Yêu cầu ngắt (interrupt request)
3. Ngắt không che chắn (non- maskable interrupt)

2 Giao diện người- máy (HMI)

Giao diện người -máy chủ yếu dựa vào cơ sở giao tiếp người - hệ thống thiết bị sử dụng (hệ điều khiển, PLC, CNC) cho phép người vận hành can thiệp vào các quy trình này thông qua thao tác trên bảng điều khiển (phím, sơ đồ, hình vẽ, biểu tượng, V...V.) giúp thuận tiện cho sự vận hành và xử lí sự cố. Giao diện HMI được nhiều hãng phát triển và có thể tạm phân loại theo mức ứng dụng như sau:

+ Giao tiếp mức người-máy (machine - level HMI) xây dựng cho các ứng dụng tại chỗ như giao tiếp trực tiếp từ trên mặt máy điều khiển của thiết bị. Giao tiếp mức máy thường sử dụng công nghệ OP (operator panels) sử dụng bàn phím và màn hình; công nghệ CP (communication processors) sử dụng CPU mạnh, màn hình màu với một số giao tiếp truyền thông; công nghệ MP (monitor panel) sử dụng màn hình công nghiệp MP gá lắp ngay tại nơi vận hành.

+ Giao tiếp mức máy cục bộ (machine- level/loca] HMI: xây dựng ở mức hệ thống với những chức nãng mạnh cho phép thực hiện công việc đa năng phức hợp, gồm 2 hệ thống chính;

• SIMATIC Win c là hệ thống phần mềm giao diện chạy trên hệ điều hành Windows 9x hoặc Windows NT trên máy PC với nhiều chức năng mở và cho phép quản lí, truy cập nhiều người dùng cùng lúc.
• COROS LS-B được xây dựng trên cơ sở phần cứng có chức năng như PC và các phần mềm chuyên dụng chạy trên hệ thống.

Cơ điện tử, các thành phần cơ bản,TS.Trương Hữu Trí, TS.Võ Thị Ry