ИНТЕРФЕЙС ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Полезная модель относится к вычислительной технике, в частности к электрическим интерфейсам последовательного канала передачи данных.
A
B
A
B
A
B
Известен интерфейс EIA-RS-485, использующий для передачи каждого сигнала дифференциальные приемопередатчики с отдельной парой для каждой сигнальной цепи абонента (Аппаратные средства локальных цепей. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2002, С.350-354). Он использует симметричную передачу сигнала и допускает как двухточечную, так и шинную топологию соединений. Информативной является разность потенциалов между проводниками А и В. Если на входе приемника U-U>0,2 В (А положительнее В) - состояние «выключено» (space), U-U<-0,2 В (А отрицательнее В) - состояние «включено» (mark). Диапазон /U-U/<0,2 В является зоной нечувствительности, защищающей от воздействия помех. Выходное сопротивление передатчиков 100 Ом. Входное сопротивление приемников 12 кОм. Максимальное количество абонентов в шине - 32. Интерфейс EIA-RS-485 может быть в двух версиях: двухпроводной и четырехпроводной. В двухпроводной версии все узлы равноправны. Четырехпроводная версия выделяет задающий узел (master), передатчик которого работает на приемники всех остальных. Передатчик задающего узла всегда активен - переход в третье состояние ему не нужен. Передатчики остальных ведомых (slave) узлов должны иметь тристабильные выходы, они объединены на общей шине с приемником ведущего узла. Для соединения устройств между собой используют третий
провод интерфейса (можно и экран). Для того чтобы по третьему проводу не протекал большой ток, выравнивающий «земляные потенциалы», в его цепь включены резисторы,
Интерфейс EIA-RS-485 имеет следующие недостатки.
Дифференциальный вход интерфейса EIA-RS-485 защищает от действия помех, но не обеспечивает полной гальванической развязки абонентов, поскольку должно осуществляться соединение «схемных земель» устройств между собой и с шиной заземления. Для обеспечения полной гальванической развязки от внутренних цепей абонентов необходимо использовать дополнительные микросхемы, обеспечивающие независимое (гальванически развязанное) питание передатчика и приемника каждого абонента, что существенно увеличивает стоимость подключения каждого абонента.
При необходимости увеличения числа узлов возможно увеличение входного сопротивления приемников, но при этом снижается допустимая скорость передачи или максимальная длина. Максимальная скорость передачи на коротких расстояниях (до 10 м) ограничивается быстродействием передатчиков. Максимальная дальность (1200 м) ограничена сопротивлением петли постоянному току.
Для обеспечения заданных параметров передачи в интерфейсе EIA-RS-485 предусмотрено использование специального кабеля с заданным волновым сопротивлением, на концах которого устанавливаются согласующие резисторы номиналом 120 ом. Приемники имеют потенциальные дифференциальные входы. Стандартом предусматривается входное сопротивление каждого приемника 12 кОм. Таким образом, линия имеет сравнительно небольшое активное сопротивление, поэтому каждый передатчик должен иметь достаточную мощность. Поскольку каждый абонент имеет собственный активный передатчик, то суммарная мощность всех передатчиков и соответственно источников питания будет в N раз больше необходимой для передачи сигнала в линию (где N - количество абонентов в сети). К каждому абоненту должна быть подведена энергия достаточная для работы передатчика. Это может составить большую часть энергии потребляемой абонентом. Такая проблема может стать существенной, если возникнет необходимость подвода питания к абонентам, специально спроектированным для работы в режиме малого потребления, по одной из линии канала. Однако малое потребление приемников может и не давать общей экономии энергии, необходимой для передачи информации, поскольку основная ее часть тратится на согласование линии.
Наиболее близким к заявленному является интерфейс «токовая петля», включающий передатчик и приемник, соединенные двухпроводной линией (Аппаратные средства локальных цепей. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2002, С.354-355). Интерфейс «токовая петля» для представления сигнала использует не напряжение, а ток. Логической единице (состоянию «включено») соответствует протекание тока, а логическому нулю - отсутствие тока. Интерфейс «токовая петля» предполагает гальваническую развязку входных цепей приемника от схемы устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (активный передатчик). Возможно и питание от приемника (активный приемник), при этом выходной ключ передатчика может быть также гальванически развязан с остальной схемой передатчика. В данном интерфейсе наличие нуля или единицы на входе определяется величиной протекающего через входные цепи тока. Основным требованием к выбору величины тока является то, чтобы приемник мог устойчиво различать состояния 0 и 1 (пребывать во включенном или выключенном состояниях) во всем диапазоне рабочих параметров.
При использовании интерфейса «токовая петля» обеспечивается высокая помехоустойчивость. Поскольку внутреннее сопротивление у «токового» приемника намного меньше, чем у потенциального, как при использовании интерфейса EIA-RS-485, то для наведения помехи в точке подключения необходимо приложить большую энергию. Кроме того, передаваемая в линию энергия потребляется непосредственно «токовыми» приемниками, которые как бы выполняют функцию согласующих резисторов.
Недостатком интерфейса «токовая петля» является низкая скорость передачи данных на длинных линиях, которая объясняется тем, что для надежной работы «токового» приемника должна быть обеспечена на его входах значительная разность потенциалов (несколько вольт) при заданной крутизне фронтов. Поскольку длинная линия представляет собой пассивный четырехполюсник, имеющий определенные активное, емкостное и индуктивное сопротивления, то увеличение скорости передачи возможно только за счет увеличения напряжения питания и тока в линии. Для большинства современных «токовых» приемников эти значения составляют 30-50 В и 20-50 мА соответственно, чем и определяются предельные значения скорости передачи в линии.
лин.
лин.
пр.
раб
раб.
В случае использования интерфейса «токовая петля», в котором источник тока установлен на стороне приемника, увеличивается скорость срабатывания приемника при размыкании ключа, поскольку приемник подключен в наиболее близкой к источнику тока точке линии, и на него не влияют переходные процессы в линии. Однако появляется проблема влияния длинной линии в момент замыкания контактов передатчика. Кроме того, поскольку линия имеет активное сопротивление, которое, в случае длинной линии, может быть соизмеримо или даже большее, чем входное сопротивление приемника, то при замыкании линии в удаленной точке, напряжение в точке подключения источника тока упадет не до нуля, а лишь до величины U, определяемой исходя из значения активного сопротивления линии R, входного сопротивления приемника R и рабочего тока источника тока I. Поскольку для надежной работы канала значение I всегда выбирается большим, чем ток срабатывания приемника, то при достаточно длинной линии не будет происходить выключения приемника. В результате чего такая схема может надежно работать только при сравнительно небольших длинах кабеля.
В основу полезной модели положена задача создания интерфейса последовательного канала передачи данных, обладающего высокой помехоустойчивостью, позволяющего максимально использовать длину кабеля и обеспечивающего, в случае передачи данных по длинной линии, работу приемника в области высокой скорости изменения напряжения в линии, что позволит повысить скорость передачи.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в интерфейсе последовательного канала передачи данных, включающем гальванически развязанные передатчик и приемник с источником тока, соединенные двухпроводной линией, последовательно приемнику дополнительно включено пороговое устройство, которое выключается при падении напряжения на нем ниже заданного порогового уровня.
Интерфейс может дополнительно содержать включенный параллельно приемнику и пороговому устройству шунтирующий резистор.
Интерфейс может дополнительно содержать множество передатчиков.
Дополнительное включение последовательно приемнику с источником тока порогового устройства, которое выключается при падении напряжения на нем ниже заданного порогового уровня, обеспечивает в случае передачи данных по длинной
линии работу приемника в области высокой скорости изменения напряжения в линии, что позволяет повысить скорость передачи.
Наличие дополнительно включенного параллельно приемнику и пороговому устройству шунтирующего резистора способствует стабильной работе приемника, улучшая тем самым параметры передачи данных.
Наличие дополнительного множества передатчиков обеспечивает возможность реализации в канале с длиной линии, близкой к максимальной, многоточечного соединения с высокой скоростью передачи данных в линии. В этом случае обеспечивается передача данных от любого из абонентов, включенных в произвольных точках линии и не имеющих собственных источников питания (от пассивных абонентов), к абоненту, имеющему приемник с источником тока и пороговым устройством (активному абоненту). Между собой такие пассивные абоненты информацией не обмениваются.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами. На фиг.1 изображена схема интерфейса последовательного канала передачи данных; на фиг.2 - эпюра изменения напряжений на выходе источника тока, установленного на стороне приемника; на фиг.3 - схема подключения нескольких передатчиков к одному приемнику.
Интерфейс последовательного канала передачи данных включает передатчик 1 и приемник 2 с источником тока 3, соединенные двухпроводной линией 4, гальваническую развязку 5, пороговое устройство 6, включенное последовательно приемнику 2, шунтирующий резистор 7, включенный параллельно приемнику 2 и пороговому устройству 6. Интерфейс может содержать множество передатчиков 1. В качестве порогового устройства используется, например, стабилитрон или цепочка последовательно включенных диодов.
Интерфейс последовательного канала передачи данных работает следующим образом.
раб.
вн.
раб.
Источник тока 3 имеет рабочую характеристику, приведенную на фиг.2. Поддержание стабильного тока в нагрузке происходит за счет изменения напряжения на выходе источника тока 3 таким образом, чтобы выходной ток I оставался почти постоянным при изменении сопротивления нагрузки (участок 2-3 на фиг.2). Это возможно лишь в диапазоне сопротивлений внешней нагрузки от 0 до R<Е/I, где Е - напряжение на входе источника тока 3. При дальнейшем увеличении
раб.
раб.
раб.
раб.
ш.
пр.
пр.
пр.
раб.
пор.
paб.
првх.
првх.
пр
раб.
вых.
пор
сопротивления нагрузки напряжение на выходе источника тока 3 будет оставаться постоянным (близким к Е), а выходной ток уменьшаться (участок 1-2 на фиг.2) от величины I до бесконечно малого значения. Таким образом, источник тока 3 поддерживает постоянное напряжение на выходе в диапазоне выходных токов от 0 до I, далее он начинает снижать напряжение на выходе таким образом, чтобы ток нагрузки оставался близким к I В качестве рабочей (исходной) точки на характеристике источника тока 3 (фиг.2) выбирается точка 2. Пусть сумма токов, протекающих через входные цепи (шунтирующий резистор 7 и токовый вход) приемника 2, будет близка к рабочему току источника тока 3 (I≈I+I). Выбирается ток срабатывания I приемника 2 (ток, при котором происходит устойчивое изменение логического сигнала на выходе приемника 2 во всем диапазоне рабочих параметров) существенно меньше рабочего тока источника тока 3 (I≪I), а напряжение срабатывания порогового устройства 6 - максимально возможным, исходя из формулы U=U-U, где U - падение напряжения на входных цепях токового приемника 2, обеспечивающее протекание через них рабочего тока I. При таких условиях незначительное увеличение тока во внешних цепях (в момент замыкания контактов передатчика 1) вызовет переход рабочей точки на прямую 2-3, падение напряжения на выходе источника тока 3 и, как следствие, быстрое отключение приемника 2 вследствие срабатывания порогового устройства 6. Далее, пока контакты передатчика 1 замкнуты, напряжение на выходе источника тока 3 будет таким, что бы сохранялся постоянным выходной ток I, при этом U будет меньше U. В момент размыкания контактов незначительное уменьшение тока в линии вызовет возврат в точку 2 и быстрое включение приемника 2 вследствие включения порогового устройства 6.
Благодаря этому скорость передачи будет значительно увеличена, практически до максимальной стандартной скорости передачи (115.2 Кбод) и выше, при длине кабеля несколько сотен метров.
лин.макс
При использовании предложенного интерфейса передатчик 1 абонента оказывается чисто пассивным. К одному приемнику 2 может быть подключено произвольное число передатчиков 1, расположенных в произвольных точках линии на расстояниях от 0 до L (Фиг.3). Благодаря этому создается многоточечное соединение с высокой скоростью передачи данных в линии. В этом случае
обеспечивается передача данных от любого из абонентов, включенных в произвольных точках линии и не имеющих собственных источников питания (от пассивных абонентов), к абоненту, имеющему приемник 2 с источником тока 3 и пороговым устройством 6 (активному абоненту). Между собой такие пассивные абоненты информацией не обмениваются.