Источники бесперебойного питания 1 часть

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Оренбургский государственный университет”

Ю.И.Синицын

ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ

Рекомендовано Ученым советом Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» в качестве учебного пособия для студентов очно-заочного обучения, обучающихся по программам высшего профессионального образования по специальности 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

Оренбург

ИПК ГОУ ОГУ

УДК 004.35(07)

ББК 32.973.26-04я7

С 38

Рецензент - доктор технических наук, профессор Н.А. Соловьев

Синицын Ю.И.

С-38 Интерфейсы периферийных устройств: учебное пособие / Ю.И.

Синицын; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург : ОГУ, 2010. – 279 с.

В учебном пособии рассмотрены принципы работы периферийных устройств, показаны схемные решения и функционирование основных и наиболее широко используемых интерфейсов, представлены их характеристики и параметры.

Учебное пособие предназначено для выполнения практических и лабораторных работ по курсу “Интерфейсы периферийных устройств” для студентов специальности 230101.

УДК 621.381 (075.8)

ББК 32.85я73

© Синицын Ю.И., 2010

© ГОУ ОГУ, 2010

Содержание

Введение

Эффективное решение современных задач обработки данных возможно лишь при условии знания современных технических средств, их функциональных возможностей и технико-эксплуатационных показателей, умения правильно выбирать и рационально использовать отдельные устройства, комплексы, их системы и сети.

Периферийные устройства по функциональному признаку делятся на две основные группы - внешние запоминающие устройства и устройства ввода/вывода.

По степени важности ПУ делятся на основные и дополнительные. Основные ПУ являются неотъемлемой частью любого ПК - монитор, клавиатура, запоминающее устройство, магнитный накопитель. Остальные ПУ, без которых можно обойтись, считаются дополнительными.

Три класса задач, которые решает ПЭВМ с использованием ПУ:

- научно-технические (расчеты);

- информационно-справочные;

- управление объектами и процессами.

Они различаются характеристиками алгоритмов и требуемой точностью расчетов, допустимыми интервалами времени на получение результата.

Класс научно-технических задач характеризуется весьма сложными алгоритмами, требующими большого количества вычислений и высокой точности. При этом объемы входной и выходной информации сравнительно невелики - на каждое вводимое в ПЭВМ исходное значение приходится десятки и сотни операций обработки.

Научно-технические задачи выполняются в режимах индивидуального пользования ПЭВМ и пакетной обработки. Этот класс можно отнести к задачам с неограниченным допустимым временем решения.

Класс задач информационно-справочного, логического и статистического характера иногда называются задачами обработки данных. Для задач этого класса характерны сравнительно короткие алгоритмы обработки и значительные объемы входной и выходной информации.

Класс задач управления объектами и процессами, решается в режиме реального времени, т.е. за предопределенный интервал времени или к заданному сроку, определяемому характером процесса управления; они требуют быстрой реакции на изменение его параметров. Информация во внешней среде наиболее часто представлена в виде аналоговых сигналов, ввод и вывод которых осуществляется устройствами сопряжения с объектом (УСО).

ПУ подсоединяются к системной шине через адаптер (контроллер) периферийного устройства, порт ввода/вывода [5].

Адаптер (контроллер) ПУ выполняет две основные функции:

- осуществляет непосредственное управление ПУ по запросам МП;

- обеспечивает согласование интерфейса ПУ с системной шиной.

Порт ввода/вывода выполняет роль "места" на системной шине, которому подключается адаптер (контроллер) периферийного устройства. Каждый порт имеет свой адрес. Одному ПУ может быть предписано несколько портов ввода/вывода.

Адаптеры и контроллеры основных ПУ стандартно встраиваются в ПК. Дополнительные ПУ могут подключаться к ПК через свои адаптеры, устанавливаемые в гнезда расширения в ПК, либо через коммуникационные порты, играющие роль адаптеров и поддерживающие стандартные интерфейсы.

Имеется два типа коммуникационных портов - последовательные порты, обеспечивающие побитовый обмен информации с медленнодействующими или достаточно удаленными периферийными устройствами и параллельные порты, служащие для обмена байтами с более быстрыми ПУ.

Периферийные устройства классифицируются по способу представлению преобразуемой информации, по функциональному назначению и направлению обмена, по быстродействию и характеру цикла, по способу использования одним или несколькими пользователями [9].

По способу представления информации все ПУ можно разделить на устройства ввода-вывода речевой, графической или текстовой информации, ввода-вывода аналоговых сигналов, внешней памяти и систем межмашинных связей. В зависимости от направления обмена все ПУ делят на устройства ввода, устройства вывода и двухстороннего обмена. В отдельную функциональную группу принято выделять устройство подготовки данных, входящих в состав системы подготовки данных и непосредственно не связанные с ПЭВМ. Каждая из перечисленных функциональных групп включает в себя широкую номенклатуру ПУ, различающаяся характеристиками, параметрами и принципами действия. Так, в группу устройств ввода входят устройства ввода алфавитно-цифровой информации с носителя, с первичного документа (читающие устройства: сканеры, АЦП), клавиатуры, устройства ввода графической и речевой информации, АЦП и т.д. Группа устройств вывода включает в себя печатающие устройства, устройства отображения, синтезаторы речи, графопостроители, ЦАП, устройства микрофильмирования.

Данное пособие предназначено для студентов специальности 230101, обучающиеся по специальности «Вычислительные машины, комплексы, сети и сети» и рассматривает вопросы, связанные с составом и конструктивными особенностями периферийных компонент вычислительной техники. Рассмотрены и описаны различные узлы и компоненты персональных компьютеров. В пособии представлены структурные схемы различных периферийных узлов, от источников бесперебойного питания до интерфейсов, используемых в вычислительной технике.

Периферийные устройства

Источники бесперебойного питания

Назначение источников бесперебойного питания - обеспечить работу нагрузки при полном отключении электропитания (UPS - Uninterruptible Power Supply или ИБП - источник бесперебойного питания).

1. Централизованные ИБП, которые предполагают централизованное преобразование, стабилизацию и распределение энергии для питания потребителей. В общем виде подразумевают установку одного (несколь­ких работающих в параллельном или в горячем резерве) ИБП, одного или нескольких дизель — генераторов. Дополнительные фильтры для особо ответственных потребителей могут быть вынесены непосредственно к нагрузкам, либо также централизованы (такая структура ИБП рекомендуется для применения на крупных объектах для которых важнейшим является обеспечение надежности функционирования всего комплекса оборудования или важность технологического процесса).

2. Децентрализованные ИБП предполагают установку достаточно большого количества маломощных офисных ИБП практически для каждого защищаемого прибора (компьютера, коммуникационного узла и т. д.).

Так же ИБП классифицируются по мощности и по типу действия [6]. По мощности ИБП делятся на:

- малой и средней мощности (с полной мощностью 3-5 кВА);

- средней мощности (с полной мощностью 5-10 кВА);

- большой мощности (с полной мощностью 10-1000 кВА).

ИБП малой и средней мощности делятся на три категории:

- резервные (off-line или standby);

- линейно-интерактивные (line-interactive);

- ИБП с двойным преобразованием напряжения (on-line).

Off-Line — схема построения ИБП, характерная наличием преобразователя (инвертора), который формирует выходное напряжение только при работе от аккумуляторной батареи (АБ). В нормальном режиме работы, нагрузка питается напряжением от сети. Особенность схемы Off-Line — наличие автоматического переключателя, коммутирующего цепь питания нагрузки. Достоинство схемы — простота и экономичность, недостаток — нет стабилизации входного напряжения при работе в нормальном режиме и относительно большое время переключения на АБ в аварийном режим работы.

Line-Interactive — схема построения ИБП, подобная схеме Off-Line. Отличие лишь в том, что на входе имеется ступенчатый стабилизатор (бустер), на основе автотрансформатора. Вследствие этого ИБП способен выдерживать длительные глубокие «просадки» входного сетевого напряжения без перехо­да на АБ.

Бустер (booster) — ступенчатый автоматический регулятор напряжения на основе автотрансформатора. Используется в ИБП, построенных по схеме «Line-Interactive». Могут работать как на повышение, так и на понижение напряжения.

On-Line — схема построения ИБП, характерная наличием двойного преобра­зования входного напряжения и постоянно работающего инвертора. В нормальном режиме работы входное переменное напряжение преобразу­ется в постоянное, а затем с помощью инвертора снова преобразуется в переменное. При исчезновении входного напряжения инвертор, постоянно подключенный к АБ, мгновенно переходит на питание от нее, продолжая питать нагрузку переменным током без разрыва синусоиды выходного напряжения и без искажения ее формы. Двойное преобразование входного напряжения полностью защищает выход ИБП от любых помех со стороны входа. ИБП, построенные по схеме On-Line, как правило, оснащены на входе стабилизатором напряжения с широким диапазоном стабилизации, что предотвращает преждевременный переход инвертора на питание от АБ. Недостатки ИБП по схеме On-Line - относительная сложность, более высокая стоимость, а двойное преобразование энергии несколько снижает КПД. ИБП по схеме On-Line используют для питания файловых серверов и рабочих станций локальных вычислительных сетей и другого оборудования с повы­шенными требованиями к качеству электропитания.

ИБП состоит из устройства подавления помех (фильтра), зарядного устройства, батареи аккумуляторов и инвертора. На рисунке 1.1 приведена схема классического ИБП.

Инвертор — устройство преобразующее постоянное напряжение в перемен­ное. Основные их типы - инверторы, генерирующие напряжение прямо­угольной формы, инверторы с пошаговой аппроксимацией и инверторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Наибольшая степень приближе­ния формы напряжения к идеальной синусоиде возможна в инверторах с ШИМ.

Рисунок 1.1 - Схема классического ИБП

Источники резервного типа (off-line или standby) выполнены по схеме коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей сети, а в аварийном — переводит ее на питание с аккумуляторных батарей.

Достоинство ИБП такого типа – простота конструкции, а недостаток — ненулевое время переключения на питание от аккумуляторов (около 4 мс). ИБП, относящиеся к данной группе, могут быть поделены на две подгруппы - standby hybrid UPS и standby-ferro UPS (гибридные и феррорезонансные).

Рисунок 1.2 – Структурная схема UPS Off-Line

При нормальном напряжении нагрузка получает питание от сети, выпрямитель обеспечивает подзарядку аккумулятора. При пропадании входно­го напряжения включается инвертор и нагрузка переключается на него за не­сколько миллисекунд. По восстановлении входного напряжения происходит обратное переключение, аккумулятор снова подзаряжается.

Основным узлом феррорезонансных моделей ИБП (рисунок 1.3) является феррорезонансный трансформатор, который имеет две первичных обмотки (рисунок 1.4). В нормальном режиме работы напряжение от сети поступает через переключатель на одну из первичных обмоток трансформатора, а при сбое питания - от аккумулятора через преобразователь на другую.

Рисунок 1.3 - Феррорезонансный ИБП

Наличие феррорезонансного преобразования позволяет гарантировать высокий уровень гальванической развязки, практически синусоидальную форму выходного напряжения, а также исключить в электропитании импульсные помехи [7].

Рисунок 1.4 – Коммутация первичных обмоток трансформатора

Линейно-интерактивные (line-interactive) работают аналогично Off-Line, но имеют дополнительную возможность ступенчатой стабилизации при длительных про­седаниях входного напряжения с помощью бустера (обычно посредством пере­коммутации первичных обмоток входного трансформатора).

Функциональная схема, поясняющая принцип действия UPS, использующих топологию line-interactive (интерактивные ИБП), приведена на рисунке 1.5. Одним из основных отличий от классической топологии standby UPS является, например, наличие узла Smart-Boost. Это позволяет при кратковременных провалах (brownout) напряжения до 12% от номинального не переходить на питание от аккумуляторов, а “вытягивать” уровень выходного напряжения за счет усиления входного. Преимущества такого технического решения особенно ярко проявляются при “грязной” электросети. Обычный резервный ИБП даже при кратковременном падении входного напряжения переключается на резервную ”ветку” с аккумулятором, так как он должен обеспечить стабильное выходное напряжение. Если “провалы” входного напряжения следуют достаточно часто, ИБП начинает работать практически на аккумуляторах, которые сравнительно быстро (в зависимости от нагрузки) разряжаются.

Рисунок 1.5 – Линейно-интерактивный ИБП

Другим отличием от классической схемы является то, что преобразователь напряжения (DC/AC) постоянно подключен к выходу ИБП. Таким образом, при размыкании переключателя на выходе уже присутствует соответствующее напряжение питания.

ИБП с двойным преобразованием напряжения (рисунок 1.6). Постоянно включенные ИБП (работающие в режимах on-line) обеспечивают энергоснабжение подключенных устройств от батареи аккумуляторов через преобразователь напряжения независимо от состояния электросети, в то время как резервные UPS переходят на такой режим работы только при полном отключении внешнего питающего напряжения.

Для постоянно включенных ИБП в рабочем режиме используется “ветка”, включающая в себя зарядное устройство, аккумуляторы и преобразователь. Таким образом, энергопитание подключенных к такому ИБП устройств происходит от заведомо “чистого” и не зависит от ”капризов” электросети. Зарядное устройство в этом случае должно быть достаточно мощным, что приводит к заведомо большим габаритным размерам самого ИБП. Кроме того, требования к электронным компонентам, на которых выполнены функциональные узлы такого ИБП, существенно повышаются. В случае выхода из строя какого-либо компонента рабочей “ветки” подобного ИБП, питание подключенных устройств осуществляется в резервном режиме непосредственно от сети по второй “ветке” через стабилизатор. Из-за высоких требований к компонентам (особенно аккумуляторам) классическая схема включения on-line на практике не используется. Вместо нее применяются различные схемы двойного и тройного преобразования. Так, последняя технология заключается в преобразованиях напряжения - переменное-постоянное, постоянное-постоянное (с использованием широтно-импульсной модуляции) и постоянное-переменное. Заметим, что в нормальном режиме работы в этом случае аккумулятор не разряжается. В частности, это позволяет гарантировать коэффициент гармонических искажений не выше 5% при снижении выходного уровня напряжения даже на 50%.

Эти ИБП (on-line) обладают наилучшими характеристиками, в них нагрузка получает питание всегда от инвертора. Инвертор получает постоянное напряжение от сетевого выпрямителя или аккумулятора, схема обеспечивает высокую стабильность выгодного напряжения при питании как от сети, так и от аккумулятора. Для данной структуры естественна гальваническая развязка вхо­да и выхода и отсутствие переходных процессов на выходе при переключении на резервное питание.

Рисунок 1.6 – Структурная схема UPS On-Line

Для автоматического контроля состояния ИБП используются специальные программы, а ИБП доукомплектовываются соответствующими платами контроля [6].

Для соединения с ИБП (за исключением встраиваемых) используются обычно либо специальный интерфейс, либо стандартный последовательный интерфейс RS-232, либо mouse-порт (обычно только для PS/2).

Для работы в условиях сильных колебаний питающего напряжения (на­пример, в сельской местности) хорошую защиту обеспечат только ИБП классов On-Line или Line-interactive.

При пропадании сетевого напряжения ИБП переключается на резервное питание и обычно подает звуковой сигнал. Для защиты данных компьютера UPS должен иметь возможность передать сигнал о грядущем отключении пита­ния. Сигнал может подаваться аппаратным прерыванием через специальную плату сопряжения с PC или разъем PS/2 Mouse (как варианты у Smart UPS), че­рез СОМ-порт или встроенный в ИБП адаптер ЛВС. Два последних варианта более универсальны и обеспечивают двунаправленный обмен развернутой управляющей и диагностической информацией. При восстановлении питания происходит обратное переключение и батареи подзаряжаются. Если питание не восстановилось за время работы батарей, ИБП отключается, а его повторное включение после подачи напряжения может быть ручным или автоматическим.

Источники бесперебойного питания имеют следующие параметры:

- выходная мощность;

- число фаз входного и выходного напряжения;

- форму выходного напряжения;

- порог переключения;

- время переключения на резервное питание;

- время работы от резервного источника;

- телеметрия;

- телеуправление;

- планирование включения и выключения.

Выходная мощность. Измеряемая в вольт-амперах и должна быть не меньше, чем сумма мощностей, потребляемых устройствами, которые питаются от данного ИБП.

Число фаз входного и выходного напряжения. Источники небольшой мощности (до единиц кВА), как правило, однофазные. Более мощные ис­точники могут иметь трехфазный вход.

Форма выходного напряжения. Для любых классов ИБП существенно качество инвертора, определяю­щее форму выходного напряжения.В идеале она должна быть синусоидаль­ной. Коэффициент гармоник выходного напряжения у лучших моделей не пре­вышает 3%, у простейших моделей генерируется ме­андр, сглаживаемый фильтром нижних частот.

Порог переключения. Уровень напряжения, при котором происходит переключение на резервное питание, влияет на срок эксплуатации батарей, од­нако его снижение в ИБП OFF-LINE, облегчая режим батарей, ухудшает ста­бильность выходного напряжения.

Время переключения на резервное питание (обычно 1-10 мс). Влияет на стабильность работы подключенной аппаратуры. Если блок питания аппа­ратуры перегружен, то просадка напряжения во время переключения может привести к сбою или зависанию.

Время работы от резервного источника. Зависит от емкости, степе­ни заряда батареи и величины нагрузки, должно обеспечивать закрытие при­ложений на защищаемых компьютерах для предотвращения потери данных.

Аккумуляторные батареи требуют периодических циклов заряда и разряда. Если ИБП питает устройство от сети, напряжение в которой никогда не пропадает, это может привести к потере работоспособности батарей. Совершенные модели ИБП имеют встроенные средства автоматического запуска тестовых и профилактических процедур, при которых нагрузка на не­которое время переключается на питание от батарей. Некоторые ИБП выполня­ют эту процедуру по команде от модуля программной поддержки, исполняемо­го на защищаемом компьютере. В этом случае ИБП должен соединяться с ком­пьютером специальным интерфейсным кабелем.

Современные модели ИБП имеют в своем составе микроконтроллер, который в совокупности со специализированным программным обеспечением (ПО) серверов и станций, поставляемым для конкретных моделей, может предоставлять спектр услуг в зависимости от интерфейса связи ИБП с системой.

Телеметрия.Информация о состоянии питающей сети, батареи и других узлов, температуре внутри ИБП, величине нагрузки и т. д. передается в систему сбора, обработки и отображения информации. Система может прогнозировать время работы от батарей и соответственно корректировать задержку закрытия сервера.

Телеуправление. Двунаправленный интерфейс с ИБП обеспечивает подачу управляющих команд - отключение, запуск диагностических тестов и т.д.

Планирование включения и выключения. Администратор может задать график работы сервера, указывая время включения и отключения питания на каждый день недели. Программа при наступлении времени отключения посы­лает предупреждение всем клиентам, через некоторое время инициирует закры­тие сервера и программирует ИБП на отключение питания через определенный интервал времени и повторное включение в заданное время. После отключения по команде ИБП переходит в режим ожидания и своим внутренним таймером отсчитывает время до включения. В заданное время ИБП включает питание на­грузки, сервер автоматически загружается, и следующее запланированное от­ключение произойдет по инициативе программы, работающей на сервере [10].

Диалог ИБП с программным модулем возможен при связи компьютера и ИБП двунаправленным интерфейсом. Наиболее распро­страненный вариант связи - через СОМ-порт. Многие модели ИБП имеют разъ­ем DB9, который обычно и используется интерфейсом RS-232.

Дополнительнительная информация представлена в приложении А.

Вопросы.

1. По каким признакам классифицируются ИБП?

2. Что представляют собой резервные (off-line или standby) ИБП (схема, работа)?

3. Что представляют собой линейно-интерактивные (line-interactive) ИБП (схема, работа)?

4. Что представляют собой ИБП с двойным преобразованием напряжения (on-line) (схема, работа)?

5. Какие достоинства и недостатки имеют каждые из вышеназванных ИБП?

6. Какие характеристики имеют ИБП?

7. Что такое выходная мощность ИБП?

8. Число фаз входного и выходного напряжения ИБП?

9. Что представляет собой форма выходного напряжения, от чего она зависит, на что влияет?

10. Что такое порог переключения и на что влияет время переключения на резервное питание?

11. Что такое телеметрия и телеуправление?

12. При использовании ИБП через какие интерфейсы (порты) он подключается?

Модемы

Назначение модемов. Модем - это устройство, которое позволяет обмениваться данными по телефонной линии. В сетевой среде модемы служат для соединения отдельных сетей между собой. Модем на передающей стороне преобразует цифровые сигналы в аналоговые и передаёт их по линии связи. Модем на принимающей стороне преобразует приходящие аналоговые сигналы в цифровые для компьютера - получателя.

Классификация модемов. Различают модемы, предназначенные для работы на выделенных, на коммутируемых линиях, а так же на тех и других. Различают модемы для цифровых и аналоговых линий. В зависимости от поддерживаемого режима передачи данных, модемы делятся на:

– поддерживающие только асинхронный режим работы;

– поддерживающие асинхронный и синхронный режимы работы;

– поддерживающие только синхронный режим работы.

По исполнению (эта характеристика определяет внешний вид, размеры и размещение мо­дема по отношению к компьютеру).

Внутренний модем - вставляется в компьютер и в свою очередь делятся на контроллерные и бесконтроллерные. К первым принадлежит большинство существующих внутренних модемов предназначенных для ISA интерфейса. Вторые - для PCI интерфейсов. Дальнейшим развитием PCI-модемов являются SOFT-модемы (иначе Win-модемы).

Настольный модем - имеет отдельный корпус и размещается рядом с компьютером, соединяясь кабелем с портом компьютера.

Портативный модем - схож с настольным модемом, но имеет уменьшенные размеры и автономное питание.

Стоечные модемы — вставляются в специальную модемную стойку, повышающую удобство эксплуатации, когда число модемов превышает десяток.

По характеру применения модемы делятся на обычные и профессиональные.

Обычные модемы используются дома или в офисе. Эти модемы используют только телефонные каналы [5, 6].

Профессиональные модемы - скоростные устройства, преимущественно стоечного исполнения. Используются для интеграции локальных сетей, в модемных пулах, а также для удалённого доступа к ресурсам ЛВС.

Среди обычных модемов можно выделить 3 вида: