Встроенные модемы TDK^ быстрая передача данных с малой скоростью Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Компоненты и технологии, № 9'2003 Компоненты

Встроенные модемы ТОК:

быстрая передача данных с малой скоростью

Большинство людей, знакомых с компьютером, полагают, что быстрее — значит лучше. Особенно, если это касается модемов, скорости которых, начиная с 1980 года, выросли с 300 бит/с до 56 кбит/с. Когда мы бродим по Интернету или закачиваем данные, то очень хочется, чтобы это выполнялось как можно быстрее (мало найдется желающих загружать сайт с графикой и анимацией по модему с поддержкой стандарта У.32Ьів). Высокоскоростной модем — это просто замечательно. Всегда ли?

Николай Ракович

[email protected]

і

1000 bytes

500 bytes

100 bytes

а достижения в скорости передачи данных приходится расплачиваться усложнением процесса соединения: чем выше скорость модема, тем больше время подключения (таблица). Таблица

Стандарт соединения Максимальная скорость передачи, bps Среднее время соединения, с

V.22 F.C. 1200 0,5

V.22 1200 3,0

V.22bis 2400 5,0

V32bis 14400 7,8

V.34 28800 10,7

V.90 336001 25-27

V.922 480003 12,5-13,5

1 — теоретическое значение;

2 — стандарт пока не утвержден ITU;

3 — теоретическое значение, реальная скорость, по некоторым оценкам, — не более 40 кбит/с.

0.00

5.00

10.00

15.00 20.00 25.00 30.00

□ У.92 (48К) ■У.90(33.6К) У.34(28.8К) □ У.32Ы$(14.4К)

■ У.22Ы$(2400) □У.22(1200) ■ У.22 £0(1200)

Рис. 1. Общее время передачи небольшого объема данных модемами разных стандартов (установка соединения, передача данных, завершения соединения)

Конечно, если вы используете модем для Интернета с доступом по коммутируемой линии, то время соединения для вас не критично, важно, чтобы модем был побыстрее. Однако, когда вы работаете с теми приложениями встроенных модемов, где величина передаваемых данных ограничена сотнями байт, то следует не один раз подумать, нужен ли вам быстрый модем.

Если во время каждой транзакции передается небольшой объем данных, то хорошая система передачи может быть создана с использованием «медленного» стандарта. При передаче данных до 1500 байт применение медленного модема позволит установить соединение и передать данные прежде, чем высокоскоростной модем установит соединение (диаграмма на рис. 1 показывает общее время установки соединения, передачи данных 100, 500 и 1000 байт и завершения соединения). Примеров передачи небольших объемов информации достаточно: кассовые аппараты, системы сигнализации, дистанционное считывание информации с датчиков и т. д.

Как пример рассмотрим передачу 100 байт. Модем со скоростью передачи 1200 байт/с установит соединение и передаст 100 байт менее чем за 4 секунды, то есть на 22 секунды быстрее, чем установит соединение модем V.90. Использование модема, поддерживающего оптимизированный протокол соединения, позволит передать данные за 1 (одну!) секунду. Модемы 73К222 или 73М2901 фирмы TDK Semiconductor Corp. устанавливают соединение за 0,5 секунды (на 25 секунд быстрее, чем «быстрый» модем V.90). Таким образом, экономится время, которое стоит денег. Вопрос о том, надо ли платить дополнительные деньги за то, что не нужно и никогда не будет использоваться, отпадает сам по себе.

Компоненты и технологии, № 9'2003

«Медленные» модемы TDK Semiconductor Corp. рассмотрим на примере семейства 73К.

Младшая модель этого семейства 73^22AL представляет собой функционально законченный модем, который поддерживает стандарты V.22, V.21, Bell 212A, Bell 103 и обеспечивает дуплексную передачу данных по коммутируемым линиям связи. В режиме Bell 212A используется тональный сигнал ответа частотой 2225 Гц. При работе в стандарте V.22 формируется сигнал защиты 550 или 1800 Гц, распознается и генерируется сигнал ответа 2100 Гц, данные передаются со скоростью 600 бит/с или со скоростью 300 бит/с для стандарта V.21.

Объединение на одном кристалле аналоговой и цифровой схем, а также матрицы переключаемых конденсаторов позволило получить хорошую производительность и высокий уровень функциональной интеграции в 28-выводном корпусе DIP или PLCC.

В модеме 73К222 реализованы функции модулятора-демодулятора относительной фазовой манипуляции (DPSK) и частотной манипуляции (FSK), обработка сигнала вызова, контроль сигналов квитирования (установления связи) и генератор тонального сигнала (европейский стандарт).

Асинхронный режим работы. При использовании относительной фазовой манипуляции данные обязательно должны передаваться в синхронном режиме. Для этого в 73К222 встроены преобразователи асинхронных сигналов в синхронные (ASYNC/SYNC) и обратно (SYNC/ASYNC), которые убирают или добавляют стоповые биты в передаваемые данные. В асинхронном режиме последовательные данные со скоростью 1200 или 600 бит/с (нестабильность передачи +1,0 %, -2,5 %) поступают с вывода TXD на вход преобразователя ASYNC/SYNC, где добавлением или удалением стоповых битов достигается нестабильность скорости не более ±0,01%.

Поток данных после преобразователя ASYNC/SYNC направляется через шифратор (скремблер) данных на аналоговый модулятор. Нешифрованные данные передаются мимо шифратора данных, который отключается процессором. В режиме частотной манипуляции преобразователь ASYNC/SYNC и шифратор данных отключаются.

Последовательные данные после демодулятора поступают сначала на дешифратор данных, а потом на преобразователь SYNC/ASYNC, где вставляются все удаленные стоповые биты и осуществляется передача данных на выход со скоростью не более 1219 бит/с. Входной импульс сброса будет проходить без вставки стопового бита. В преобразователе SYNC/ASYNC реализован режим повышенного быстродействия (диапазон больше на +1% или на +2,3%).

Синхронный режим работы. Режим аналогичен асинхронному, за исключением того, что данные должны быть синхронизированы тактовыми импульсами, и никакие изменения скорости передачи данных не допускаются. Последовательность входных данных, поступающих на вывод TXD, тактируется по фронту TXCLK. Преобразователь

BUS TIMING DIAGRAM (PARALLEL VERSION)

ALE

RD

Wr

AD0-AD7

TLC

TLA

<Л|

TRW

TRD

4

TCL

TLC

TWW

JJT

TRDF

4

TDW

TWD

И

ADDRESS

READ DATA

ADDRESS

WRITE DATA

CS -V-

READ TIMING DIAGRAM [SERIAL VERSION)

EXCLK

RD

“\L

AD0-AD2 -[(ADDRESS

AD7 -

У

^-TRD

D1

_A_

CD

D2 X 03 X 04 ~X P5 X P6 X 07 )[

TRDF

WRITE TIMING DIAGRAM (SERIAL VERSION)

EXCLK

WR

AD0-AD2

H

TDCK

JL

tww

^ADDRES^—

4

DO

~X pi X~й~Х D3 )С~й~К ds X d6 )T

D 7

Рис. 2

ASYNC/SYNC при синхронном режиме работы отключается, и данные передаются на выход с такой же скоростью, как принимаются входные.

Модулятор/демодулятор DPSK. Модем 73К222 модулирует поток данных в двоичные элементы, которые представляют четыре возможных фазовых сдвига по стандартам Ве11 212А или У.22. Затем для снижения межсимвольных помех на двухпроводной телефонной линии групповой сигнал фильтруется. Частота несущей составляет 1200 Гц (вызов) или 2400 Гц (ответ). При демодуляции происходит обратный процесс: получение потока последовательных данных с несущей 1200 Гц (ответ) или 2400 Гц (вызов).

Модулятор/демодулятор FSK. Модулятор FSK формирует частоты для модуляции аналогового выходного сигнала (с использованием двух дискретных частот) и получения двоичных данных. В стандарте Ве11 103 используются частоты 1270 и 1070 Гц (вызов, метка и пауза) или 2225 и 2025 Гц (ответ, метка и пауза). При работе по стандарту У.21 применяются частоты 980 и 1180 Гц (вызов, метка и пауза) или 1650 и 1850 Гц (ответ, метка и пауза). В режиме демодуляции выполняется детектирование принятых частот и декодирование в соответствующий двоичный код.

Интерфейс параллельной шины. Управление, выбор режимов и контроль состояния выполняется с помощью четырех 8-разрядных регистров, которые определяются контроллером управления как четыре последовательных ячейки памяти. Для адресации этих регистров используются мультиплексные адресные линии AD0, AD1 и AD2. Два регистра управления и регистр тональных сигналов являются обычной оперативной памятью, а регистр детектирования — ПЗУ.

Последовательный интерфейс предназначен для доступа к регистрам управления и состояния через последовательный порт (только 22-выводный вариант). В этом режиме на линиях А0, А1 и А2 устанавливаются адреса регистров для данных по управляющим сигналам на шинах RD или WR (временные диаграммы на рис. 2).

Специальная схема детектирования определяет наличие несущей, сигналов вызова и ответа, качество принимаемого аналогового сигнала. При изменении любого из условий для этих сигналов устанавливается соответствующий бит в регистре детектирования и формируется прерывание (которое, впрочем, можно замаскировать).

Практическое применение. Модемы семейства 73К разработаны для работы с кон----------------------------------- 127

Компоненты и технологии, № 9'2003

Компоненты

RS232

LEVEL

CONVERTERS

Рис. 3

[5=\ VRl k-l MOV V250L20

O-

C1 390 pF

троллером управления, универсальным асинхронным приемопередатчиком (ИАЯТ), интерфейсом К5232 и телефонным интерфейсом по стандарту БАА. Если в качестве контроллера используется 1П;е1 8048 или 80С51, то модем подключается напрямую (рис. 3 — питание ±5, 12 В; вариант для напряжения питания +5 В — на рис. 4).

Кроме варианта модема с параллельной передачей адреса/данных (8039/8048, 8031/8051 и совместимые), выпускается исполнение для последовательного интерфейса. Эта версия в корпусе с 22 выводами для тех случаев, когда число линий интерфейса ограничено или когда невозможно использовать параллельный интерфейс. Кстати, в режиме последовательной передачи можно использовать и модем с параллельной передачей данных.

Подключение модема серии 73К к телефонной линии стандарта БАА выполняется на основе типовой схемы на двух операционных усилителях (рис. 3). ОУ в приемном тракте выполняет две функции: усиление входного сигнала до уровня срабатывания детекторов и демодулятора модема и фильтрация передаваемого сигнала (синфазная помеха). Это решается подачей части передаваемого сигнала на неинвертирующий вход приемного ОУ с такой же амплитудой, как и сигнал в трансформаторе, что позволяет подавлять синфазную помеху.

Схема подключения к телефонной линии с однополярным питанием сложнее (рис. 4), но при этом отпадает необходимость в двухполярном источнике. Мостовое включение трансформатора позволяет передавать сигнал без искажений при питании +5 В. Так как сигналы тонального набора (DTMF) имеют

Компоненты и технологии, № 9'2003

CONTROL

INTERFACE

Рис. 5. Схема включения модема 73К222ВІ.

более высокую амплитуду, чем данные, то они будут отсекаться при использовании усилителя с несимметричным выходом. Этот усилитель (дополнительный ОУ иіА) инвертирует сигнал с выхода ОУ ШВ (поступающий на верхний по схеме вывод трансформатора Т1) перед подачей на второй вывод Т1. Приемный усилитель (ШС) шунтирует выходной сигнал и, как следствие, входной сигнал не искажается.

Особенности применения. Как таковых, особенностей нет. Для задающего генератора применяется кварцевый резонатор с частотой 11,0592 МГц (параллельный резонансный контур) и точностью не хуже ±0,01%. Для корректной работы к выводам кварца подключаются конденсаторы нагрузки, емкость которых в первую очередь определяется свойствами самого кварца и в незначительной степени — свойствами самого модема.

Требования к печатному монтажу аналогичны требованиям для аналого-цифровых схем: минимизация шумов и радиопомех.

Если у вас нет желания или возможности заниматься блоком сопряжения с телефонной линией, то в этом случае можно использовать модем 73К222БЬ, в который встроен гибридный ключ для 2/4-проводной линии. Насколько при этом облегчается жизнь разработчика, видно из схемы на рис. 5.

Модем 73К222Аи со встроенным приемопередатчиком ИАИТ. Задача преобразования параллельного кода в последовательный и обратно при приеме и передаче данных радикально решена в модеме 73К222Аи, разработанном специально для использования в устройствах с интегрированной микрокон-троллерной шиной. В таких случаях обычно необходим универсальный асинхронный приемопередатчик (ИАИТ) стандарта 8250 или более быстрый 16С450 (почти жизненная необходимость для связи параллельной шины с последовательной линией модема).

В модем 73К222АИ встроен такой приемопередатчик (рис. 6), что позволяет избавиться от множества внешних элементов, упростить и удешевить изделие. Особенностью этой ИС является возможность использования приемопередатчика ИАИТ независимо от модема — дополнительный асинхронный порт (бесплатно!).

Модем 73К222АИ работает в двух режимах. Двухпортовый режим: обычное подключение модема с использованием специального микроконтроллера управления. В этом режиме такой контроллер связывается с 73К222Аи через отдельный последовательный порт. В однопортовом режиме основной процессор управляет и приемопередатчиком ИАИТ, и модемом по параллельной шине данных,

что позволяет избавиться от дополнительного контроллера управления.

Для полноты счастья разработчика в состав 73К222АИ входят гибридные формирователи для 2/4-проводной линии, усилитель реле и аудиоусилитель, позволяющий программно регулировать громкость сигнала вызова.

Приемопередатчик иЛйТ 73К222АИ полностью совместим с устройствами ИАИТ промышленных стандартов 16С450 и 8250. Шина интерфейса идентична 16450 за исключением того, что сигналы управления должны быть однополярными. Приемопередатчик ИАИТ 73К222АИ может работать и с более быстрыми шинами, чем 16С450. Это позволяет подключать его непосредственно

TXD XTL1 XTL2 CLK

—СП —СП —□ I

QSPKR

□ (CÏS1/MA0

□ (DSR)/MAI

□ (UA3)/MA2

□ DATA/(OTR)

□ RD/jÂDS)

□ WR/(N/C)

□ (DCD)/DCLK

□ {RTS)/ÎNT

□ он

_ □ □ □

INTRPT (Rl) uPRST RESET RXD

Рис. 6. Блок-схема модема 73K222AU

□ □ □ □ □ VDD VREF GND ISET STNDLN

Компоненты и технологии, № 9'2003

O'

PC BUS

AEN A11

IOW ВІЗ

PHONE

Рис. 7. Однопортовый режим работы модема 73K222AU

Є~

к более быстродействующим контроллерам без дополнительной схемы формирования задержки. Основная задача ИАИТ заключается в преобразовании параллельно передаваемых данных из процессора в последовательный код из последовательного кода в параллельный — при передаче данных от внутреннего модема или внешнего устройства.

В приемопередатчике можно запрограммировать число битов на символ, сформировать и проверить бит четности, число стоповых битов. Помимо этого, возможно формирование и определение сигнала сброса, определение сбойной ситуации и текущего состояния в любое время.

В приемопередатчик ИАИТ встроен программируемый генератор скорости передачи (внутренняя тактовая частота — 1,8432 МГц). Скорость передачи и приема данных должна быть одинаковой. При модуляции DPSK скорость передачи должна быть 1200 Гц или

600 Гц, при модуляции Б8К — 300 Гц или ниже. Кроме этого, генератор скорости может формировать тактовый сигнал для цифровой передачи на скорости до 115,2 кГц. Программным способом возможен доступ к выходу генератора на выводе СЬК.

Применение 73К222АИ. Использование 73К222АИ позволяет значительно упростить разработку для любого из двух режимов. Однопортовый режим является наиболее эффективным применением интегрального модема. При такой конфигурации (рис. 7) передача данных и команд происходит через отдельный параллельный порт. Все управление осуществляется центральным процессором, при этом отпадает необходимость в дополнительном контроллере и соответствующих компонентах. Доступ к приемопередатчику ИАИТ и модему возможен через ИАИТ-порт. В случае, если модем не используется, последовательный порт может работать не-

зависимо. Все возможности модема реализуются при двухпортовом режиме (рис. 8).

Дальнейшее развитие семейства 73К. Ускорить обмен данными позволяют модемы серии 73К224 (73K224L — аналог 73K222L, 73K224BL — аналог 73K222BL, со встроенным гибридным формирователем), работающие по стандарту V.22bis (и по стандартам, которые поддерживают модемы 73К222), и серии 73К324 (73K324L — аналог 73K222L, поддерживает стандарт V.23, 73K324BL — аналог 73K222BL со встроенным гибридным формирователем).

В однокристальных модемах TDK Semiconductor Corp. реализованы все основные функции модема, что позволяет использовать эти ИС в различных приложениях — от систем управления до традиционных шин передачи данных.

Дополнительную информацию можно найти по адресу www.tdksemiconductor.com.

Компоненты и технологии, № 9'2003

е-

U2

PC BUS

~~Ь СОМ 2 INT

IRQ4

В24

> СОМ 1 INT

ВЗ

С1

Л-

10 M-F

39 pF С2..

11.0592 MHz

т

-X

25

XI

АО А31_ Al АЗО А2 А29

V 18 pF

AEN Al 1

IOW ВІЗ

36

IOR В14

D8 А9 27 U DO ОН

DI А8 28 UD1 RXA ТХА1

D2 А7 29 UD2

D3 А6 30 UD3

D4 А5 31 UD4

D5 А4 32 UD5

D6 АЗ 33 UDó ТХА2

D 7 А2 34 UD7

19 VREF

Фол V? V С6 SPKR

U4 LS04 RST

RESET В2 10

INTRPT

XTL1

VDD

GND

ISET

TXD

RXD

STNDALN

XTL2

UAO UA1 UA2

ADS DATA DCLK RD WR

CS2 MA2 MAI MAO CLK 73K222AU

INT

JJ.PRST

40 +5 П R7 3

20 1 -Г 0.1 uF

15

7 10

ó 11

.22 1

011 2

.23 4

.26 5

J2 8

п13 7

.14 ó

-21 19

N/C 18

2 12

8

DOSTR

DISTR

18

U1

VDD

VSS

8053

PSÉÑ

RXD TXD ÉA ALE

Р1.0 P3.4 P3 5

Pl.l P3 ó

P1.3 P3.7

P1.4

P1.7 PO P2

P1.6 ÍÑT

P1.5

XI

X2 ÍÑTO RST

D5

IN4004

—VAAAV—

з ri

3.9VÍ C11 4 3.9V Y = 0.022 ^F 3

C9

^O.luFMS.IKl 3J0

MIDCOM *5 U5 671-8005 LM386 220 nF

FUSE

FI

-CZh

MOV1

V250LA20A

T

R UNE

Al

A

T PHONE

R

A1

U4

LS04

SPKR

Рис. 8. Двухпортовый режим работы модема 73K222AU

Є~