Friedrich Wittgruber. Digitale Schnittstellen und Bussysteme

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1 Friedrich Wittgruber Digitale Schnittstellen und Bussysteme

2 Aus dem Programm Automatisierungstechnik Regelungstechnik für Ingenieure von M. Reuter Steuerungstechnik mit SPS von G. Wellenreuther und D. Zastrow Prozessvisualisierung unter Windows von G. Schnell (Hrsg.) und V. Keim Bussysteme in der Automatisierungstechnik von G. Schnell (Hrsg.) Digitale Schnittstellen und Bussysteme von F. Wittgruber Steuerungstechnik im Maschinenbau von W. Thrun und M. Stern Handhabungstechnik von J. Bartenschlager, H. Hebel und G. Schmidt ProzeRlenkung Lehrbuch und Hypermediale Aufgabensammlung von R. Langmann Automatisierungstechnik Aufgaben von S. Zakharian Steuern - Regeln - Automatisieren von W. Kaspers, H.-J. Küfner, B. Heinrich und W. Vogt vieweg

3 Friedrich Wittgruber Digitale Schnittstellen und Bussysteme Einführung für das technische Studium Mit 165 Abbildungen und 8 Tabellen II vaeweg

4 Herausgeber: Prof Dr.-Ing. Otto Mildenherger lehrt an der Fachhochschule Wiesbaden in den Fachbereichen Elektrotechnik und Informatik. Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden 1999 Ursprünglich erchienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 1999 h ttp:j 1 www. vieweg.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, ISBN ISBN (ebook) DOI /

5 Vorwort Das vorliegende Buch ist als Einführung in die Technik der digitalen Schnittstellen und Bussysteme konzipiert. Einleitend werden Leitungen, Busankopplungen und -abschlüsse sowie das Verhalten von Impulsen auf Leitungen behandelt. Es folgt die Beschreibung einfacher serieller und paralleler Schnittstellen. Über die Grundlagen von Bussystemen und Busstrukturen wird zu den in der Praxis eingesetzten parallelen und seriellen Bussen übergeleitet, wobei auch auf das wichtige Gebiet der Prozess- und Feldbusse eingegangen wird. Um Verständnisschwierigkeiten vorzubeugen, werden grundlegende Überlegungen vollständig abgeleitet und auch Beispiele eingetllgt. Eine Vielzahl von Bildern und Tabellen fördert die Anschaulichkeit und das Verständnis. Die systematische Gliederung und das Sachwortverzeichnis erleichtern den Überblick über das ganze Gebiet. Auch zum Nachschlagen einzelner Teilgebiete ist dieses Buch bestens geeignet. Zur Vertiefung des komplexen Stoffes werden aber auch gezielt wichtige Details ausfiihrlicher betrachtet. Ein umfangreiches Literaturverzeichnis erleichtert die Suche nach Spezialliteratur zu einzelnen Themen. Schnittstellen und Busse verbinden unterschiedlichste Geräte und Geräteteile auf allen Gebieten der Automatisierung und Steuerung, in der Mess- und Regeltechnik sowie in der Datenverarbeitung. Durch die zunehmende Ausbreitung und Vernetzung elektronischer Geräte gewinnt auch die. Schnittstellentechnik an Bedeutung. Um so wichtiger wird auch die Auseinandersetzung mit dieser fortschreitenden Entwicklung. Das Buch wendet sich vor allem an Studenten und Ingenieure der Elektrotechnik (insbesondere Automatisierungstechnik, Technische Datenverarbeitung, Nachrichtentechnik und Messtechnik), der Technischen Informatik, der Maschinentechnik und der Informatik. Es ist sowohl als Begleitbuch für das Studium als auch für das Selbststudium geeignet. Aber auch für den interessierten Praktiker ist dieses Buch zu empfehlen, da es selbst komplexe Zusammenhänge übersichtlich und verständlich darstellt. Das Buch ist im Wesentlichen aus einem Skript entstanden, das ich im Laufe von Jahren für meine Vorlesung E/A-Schnittstellen und Peripheriegeräte zusammengestellt und laufend vervollständigt habe. Daneben entstanden in dieser Zeit auch umfangreiche Unterlagen für das Seminar zu der genannten Vorlesung. An der Zusammenstellung und Bearbeitung des Stoffes waren daher viele Studenten und Mitarbeiter beteiligt. Insbesondere möchte ich mich für vielfältige Vorarbeiten bei den Herren Dr.-Ing. Rolf Gerdes, Dipl.-Ing. Dag Pechtel und Dipl.-Ing. Johannes Köm bedanken. Mein besonderer Dank gilt Frau Petra Schöppner, die Text und Bilder in druckreife Form brachte. Auch beim Vieweg Verlag möchte ich mich für die gute Zusammenarbeit bedanken und besonders bei Herrn Prof. Dr. Otto Mildenberger, dem Herausgeber dieses Buches in der Schriftenreihe uni-script. Last, not least danke ich meiner Frau Gerda Wittgruber für das Korrekturlesen. Siegen. im Mai 1999 Friedrich Wittgruber

6 VI Inhaltsverzeichnis 1 Überblick Leitungen Leitungsarten Einfache Drähte Microstrip und Stripline Flachbandkabel Rundkabel Koaxialkabel Lichtwellenleiter Leitungsauswahl Leitungsankopplung und Abschlüsse I Ankopplungsarten Mechanische Ausfiihrung Elektrische Ankopplung Ankopplung mit Tristate-Gattem Open-Collector-Bus Prinzip Rechenbeispiel Definition der TTL-Pegel ECL-Treiber!Empfänger Prinzip ECL mit Open Emitter Teilung des Abschlusswiderstandes Impulse auf Leitungen Linearer Leitungsabschluss Nichtlinearer Abschluss Allgemeines Bergeron-Verfahren Bidirektionaler Open-Collector-Bus Serielle Schnittstellen Einleitung Übertragungsprotokoll Übertragungsparameter Protokollverfahren ASCII-Zeichen RS Pegeldefinition Geräte der Datenübertragungstechnik Normungsgremien Steckerbelegung Übertragungsbeispiel Verbindungsarten Kabellänge RS-422, RS-423, RS-485, RS Überblick... 46

7 Inhaltsverzeichnis VII RS RS RS RS Stromschnittstelle Prinzip Gerätearten Konstantstromquelle Senderaufbau Empfängeraufbau Spannungsabfälle Steckerbelegung und Schnittstellenkoppler Parallele Schnittstellen Schnittstellen-IC Centronics-Schnittstelle IEEE-1284-Schnittstelle PCMCIA, Card Bus Handshake-Verfahren Direct-Memory-Access (DMA) First-In-First-Out (FIFO) Mikrocontroller-Schnittstellen Allgemeines Struktur und Schnittstellen Busse, Synchronisierung, Fehlererkennung Busstrukturen Buszuteilung Zentrale Buszuteilung Dezentrale Buszuteilung Synchronisierung Fehlererkennung VRC und LRC CRC Parallele Busse Entwicklungen von Bus-Standards Q-Bus Bus S-100-Bus MPST-Bus STD/STE-Bus Multibus IIII Futurebus Nu-Bus VME-Bus Mechanischer Aufbau Datentransfer Interruptsignale... 83

8 VIII Inhaltsverzeichnis Bus-Arbitrierung Subbusse und Weiterentwicklung GPIB Gerätetypen und Busstruktur Steckerund Signale Struktur der Geräte Nachrichtenarten Geräteaufbau Gerätesysteme Weiterentwicklung SCSI Struktur Übertragungsprotokoll Datentransfer und SCSI-Signale Physikalische Eigenschaften Hardware-Aufbau SCSI-2, Fast, Wide Weiterentwicklung, SCSI SCSI beim PC ISA, EISA, MCA, PCI Serielle Busse Busprotokolle Serielle Datendarstellung Modulierte Übertragung Basisbandübertragung Zugriffssteuerung und Busstrukturen Blocksynchronisierung und Rahmenstruktur LANs Feldbusse Überblick PDV-Bus Bitbus PROFIBUS INTERBUS-S DIN-Messbus ASI CAN FIP P-NET LON SERCOS Neue serielle Busse USB IEEE Ausblick Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis