СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
METHOD TO TRANSMIT DISCRETE ELECTRIC SIGNALS

Область техники
Изобретение относится к способам передачи информации, а именно к интерфейсам связи электронных устройств, в частности к способам передачи дискретных электрических сигналов.
Предшествующий уровень техники
Известен способ передачи дискретных электрических сигналов в двоичном коде от передатчика к приемнику, соединенным между собой трехпроводной линией связи, с источником напряжения питания линии, совмещенным с передатчиком, включающий передачу по одному проводу относительно общего провода (земли) логической единицы и логического нуля от передатчика путем установки отрицательного либо положительного напряжения на его выходе и считывание приемником значения напряжения в проводе относительно земли и передачу сигнала таким же способом по другому проводу в обратную сторону с помощью другой пары передатчик - приемник. Способ известен как интерфейс RS-232.
Недостатками известного способа являются низкая помехозащищенность и малая длина связи, обычно не более 10 м. Это объясняется различными условиями протекания тока в проводах линии: сопротивление в цепи передающих проводов выше сопротивления в цепи общего провода (земли), что способствует возникновению напряжения помехи при воздействии электромагнитных полей.
Кроме того, способ позволяет передавать информацию только одному приемнику и требует организации его независимого двухполярного электрического питания, что приводит к удорожанию аппаратуры.
Известен также способ передачи дискретных электрических сигналов в двоичном коде от передатчика к приемнику, расположенным на трехпроводной линии связи с источником напряжения питания линии, совмещенным с передатчиком, включающий передачу логической единицы путем одновременной установки отрицательного напряжения на одном проводе и положительного напряжения на другом проводе относительно третьего, передачу логического нуля путем установки близкого к нулю напряжения на первом и втором проводах относительно третьего и считывание приемником значения напряжения в первом и втором проводах линии. Способ известен как интерфейс RS-485.
Способ имеет более высокую помехозащищенность и большую длину связи - до 1000 м, позволяет соединять между собой большое количество устройств и поэтому обеспечивает передачу сигнала в обе стороны, однако, также как и предыдущий способ, требует организации независимого двухполярного электрического питания всех устройств, подключенных к линии, что существенно удорожает способ. Кроме того, раздельное питание устройств и большая длина связи приводят к рассогласованию потенциалов их нулевой шины (земли), что может приводить к выходу приборов из строя. Для предотвращения этого применяют гальваническую развязку устройств с линией, что приводит к дополнительному удорожанию способа передачи информации.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу является способ передачи электрических сигналов по шине MicroLAN (“Automatic Identification Data-Book”, Dallas Semiconductor, 1995; www.Dalsemi.com). Известный способ передачи дискретных электрических сигналов от передатчика к приемнику, расположенным на двухпроводной линии связи с источником напряжения питания, причем первый полюс источника и первый провод линии связи заземляют, а второй провод линии связи подключают ко второму полюсу источника через резистор, включает передачу логического сигнала в двоичном коде путем замыкания линии передатчиком с помощью электрического ключа и считывание приемником значения напряжения в проводе относительно земли. При этом логическим нулем обычно считается уровень напряжения в линии ниже первого заданного порога, а логической единицей - более второго заданного порога. Как правило, для таких порогов выбирают значения 0,8 B и 1,2 B, соответствующие логическим TTL-уровням. Подобным образом помимо интерфейса MicroLAN устроены многие другие известные интерфейсы.
Известный способ позволяет соединять между собой большое количество устройств и обеспечивает передачу сигнала в обе стороны по двум проводам, допускает питание устройств от линии, что удешевляет способ.
Недостатком известного способа передачи дискретных электрических сигналов являются его низкая помехоустойчивость. При воздействии помехи, несмотря на то, что это воздействие одинаково для обоих проводов линии связи, результат воздействия различен, так как различны условия распространения помехи в заземленном и незаземленном проводах линии, а более конкретно, различны сопротивления для протекания тока помехи в каждом проводе от точки воздействия до полюса источника питания или заземления. В результате в точке воздействия помехи, а также и в остальных участках линии возникает разность потенциалов, т.е. напряжение помехи, что препятствует правильной передаче полезного сигнала.
Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения поставлена задача повышения помехоустойчивости как при передаче, так и при приеме электрических сигналов в линии связи при одновременном удешевлении процесса передачи информации.
Поставленная задача решается тем, что в способе передачи дискретных электрических сигналов от передатчика к приемнику, подключенных к двухпроводной линии связи с источником напряжения питания, причем сигнал считывания как логический ноль и единицу определяют по уровню сигнала в линии связи относительно заданных порогов, первый полюс источника напряжения питания соединяют с первым проводом двухпроводной линии связи через первый резистор, а второй полюс источника напряжения питания соединяют со вторым проводом двухпроводной линии связи через второй резистор, причем первый и второй резисторы имеют равные значения сопротивления, приемник подключают к двухпроводной линии связи между передатчиком и источником напряжения питания, а также снабжают двумя датчиками тока, установленными по одному в каждом проводе двухпроводной линии связи, передачу сигнала осуществляют путем изменения тока в двухпроводной линии связи передатчиком за счет изменения его выходного сопротивления и измерения величины тока двумя датчиками, при этом сигнал считывания определяют как сумму абсолютных значений измеренных токов.
Сущность изобретения состоит в следующем.
В данном способе передачи электрических сигналов условия распространения сигналов одинаковы в обоих проводах двухпроводной линии связи, так как для каждого провода линии сопротивление между точкой воздействия помехи и соответствующим полюсом источника питания одинаково благодаря наличию резисторов равной величины. В связи с этим происходит компенсация напряжения синфазного сигнала помехи на всем протяжении линии связи, напряжение в линии в зоне нахождения передатчика не содержит сигнала помехи и не искажает сигнал передатчика. Уровень сигнала помехи в линии при этом снижается в тысячи раз, позволяя осуществлять связь даже в таких условиях, в которых при использовании способа по прототипу напряжение помехи намного превышало бы полезный сигнал.
Для чтения сигналов от удаленных передатчиков, когда сопротивление и емкость линии связи достигают больших значений, а также для дополнительного снижения чувствительности к помехам применена передача сигнала по принципу «токовой петли». Однако применение известного принципа «токовой петли» как такового приведет лишь к ухудшению помехоустойчивости, так как синфазная помеха приводит к увеличению величины тока в одном из проводов линии связи и одновременно к уменьшению в другом. При использовании только одного датчика тока сигнал помехи будет в нем суммироваться с полезным сигналом и помехоустойчивость будет низкой даже при условии компенсации напряжения помехи в линии за счет использования двух равных резисторов, как было указано выше. В связи с этим для компенсации влияния помехи на чтение сигнала приемником в данном изобретении введены два датчика тока, по одному на каждый провод. Значения токов помехи в проводах линии связи имеют противоположные знаки, а при использовании двух равных резисторов для компенсации напряжения помехи в линии - равную величину. Поэтому если сложить оба измеренных значения тока с учетом знака, то часть токов, связанная с помехой, взаимно уничтожится, а часть токов, связанная с полезным сигналом, удвоится. Если сложить абсолютные значения двух токов, результат будет таким же. Таким образом, для того чтобы измерить полезный сигнал и отделить его от сигнала помехи, необходимо вычислить сумму абсолютных значений показаний двух датчиков тока.
Сущность способа передачи дискретных электрических сигналов от передатчика к приемнику по двухпроводной линии связи, обеспечивающего компенсацию сигнала помехи как при передаче, так и при приеме сигналов, передаваемых на большие расстояния, поясняется неограничивающим примером его реализации.
Пример.
К полюсам источника питания через одинаковые ограничительные резисторы 1 кОм подключают провода двухпроводной линии связи, выполненные в виде так называемой «витой пары». К проводам линии подключают приемник и передатчик, причем приемник подключают между передатчиком и источником питания.
Передатчик представляет собой микропроцессор с выходным каскадом в виде управляемого микропроцессором ключа, подключенного параллельно к линии связи и имеющего ограничительный резистор для обеспечения заданной величины тока в линии в процессе передачи. Возможно ограничение тока передачи с помощью управляемого стабилизатора тока.
Приемник оборудован микропроцессором и двумя датчиками тока, установленными по одному в каждом проводе линии связи и включенными один как датчик вытекающего тока, а другой как датчик втекающего тока. Выходы датчиков тока подключены к входам сумматора, с помощью которого складывают абсолютные значения сигналов от датчиков, при этом выход сумматора соединяют с входом чтения микропроцессора.
Обычное состояние линии соответствует передаче логической единицы, при этом напряжение в линии близко к напряжению источника питания, что позволяет осуществлять питание передатчика и других устройств, подключенных к линии. При этом ток в линии (ток потребления подключенных устройств) не превышает заданного порога. Логический ноль формируют кратковременно, путем создания дополнительного тока в линии за счет замыкания линии передатчиком через ограничительный резистор.
Провода линии помещают в электромагнитное поле, создающее помеху, либо подают напряжение синфазной помехи от генератора в оба провода линии. Измеряют напряжение помехи между проводами линии вблизи приемника и передатчика. В результате компенсации напряжение помехи между проводами линии связи оказывается в тысячи раз меньше напряжения синфазной помехи, поданной от генератора. Для имитации условий распространения помехи в прототипе (с целью сравнения) замыкают один из резисторов, сигнал на выходе сумматора значительно искажается. Аналогично, для иллюстрации компенсации помех за счет установки двух датчиков тока замыкают один из датчиков, и сигнал на выходе сумматора также искажается.
Промышленная применимость
Преимущества изобретения обеспечиваются тем, что в результате создания одинаковых условий как распространения, так и чтения сигнала в обоих проводах линии связи достигается компенсация напряжения и тока помехи в линии. Это позволяет повысить дальность и надежность связи путем увеличения помехозащищенности при одновременном удешевлении процесса передачи информации.