ОБНАРУЖЕНИЕ КОНФЛИКТОВ В СИСТЕМАХ ШИН EIA-485
CONFLICT DETECTION IN EIA-485 BUSES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области передачи данных через системы шин в соответствии со стандартом RS-485 и, в частности, к обнаружению конфликта сообщений в таких системах.
Уровень техники
Стандарт EIA-485 (также определяемый как RS-485) определяет сбалансированную многоабонентскую передачу информации, которая может быть использована различными типами последовательных коммуникационных протоколов. Стандарт EIA-485 имеет отношение к электрическим характеристикам интерфейса и не определяет особый протокол, также он не относится к специальному соединителю, или обнаружению конфликта, или технологии предотвращения конфликтов. Система шин в соответствии с EIA-485 может содержать до 32 (единичная нагрузка) устройств, при этом длина шины может достигать 1200 метров со скоростью передачи по последовательному каналу 115200 бит в секунду или выше. Хотя EIA-485 определяется как полудуплексный (HD) процесс передачи данных, он также может работать в режиме одновременной двусторонней связи (FD, Full Duplex) при использовании четырехпроводного соединения.
Конфликтующие сообщения значительно уменьшают пропускную способность на каждой линии передачи данных. Во-первых, по меньшей мере два сообщения теряются при конфликте. Во-вторых, большинство протоколов имеют технологии повторной передачи, что может привести к дополнительным конфликтам. В идеальном случае конфликты могут быть предотвращены при использовании подходящих технологий предотвращения конфликтов, такие как коллективный доступ с контролем несущей (CSMA) с предотвращением конфликтов. Но даже с хорошими средствами предотвращения конфликтов все же конфликты могут происходить, и их следует надлежащим образом обнаруживать.
Внутри систем автоматизации подстанций протоколом, который наиболее часто используется через стандарт EIA-485 или посредством этого стандарта, является протокол DNP 3.0, который позволяет отслеживать передачу сообщений некоординированным образом (называемым «незапрашиваемый режим DNP»). В этом случае крайне важно распознавать конфликты, поскольку любое уменьшение скорости передачи данных на шине является неприемлемым, особенно в том случае, когда необходимо послать сообщения о событиях с высоким приоритетом.
A
B
T
Фиг. 1 изображает типичную структуру при полудуплексном (HD) процессе передачи данных с приемопередатчиком EIA-485, подключенным к шине, включающей в себя положительный провод А и отрицательный провод В. Для того чтобы гарантировать отказоустойчивую передачу данных при стандарте EIA-485, обеспечиваются постоянные нагрузочный и согласующий выходной резисторы R, R, соответственно расположенные между проводом А и Vcc (например, 3.3 или 5 Вольт), а также между проводом В и GND (клемма "земля"), для того чтобы смещать линии передачи данных в определенное положение. Резистор R оконечной нагрузки может быть использован на концах шины, чтобы избежать отражений, вызванных высокой скоростью передачи данных и быстрыми скоростями нарастания выходного напряжения.
Фиг. 2 изображает типичную временную диаграмму для схемы приемопередатчика, показанной на фиг. 1, при этом «1» называется «метка» ("mark"), а «0» называется «пробел» ("space"). До тех пор пока на линии нет потока информации обмена (состояние незанятости), по линии постоянно передаются метки или «1». Стартовым битом является «0» («пробел»), а стоповым битом снова является «1» («метка»). Поэтому всегда будет переход от метки к пробелу в начале каждого слова. Таким образом, приемник может всегда синхронизировать задающий генератор независимо от содержания данных.
Множество применений EIA-485 включают принцип обнаружения конфликта, основанный на программном обеспечении, когда передаваемые данные TX_D, передача которых обеспечивалась, например, универсальным асинхронным приемопередатчиком (УАПП, UART), сравниваются с принимаемыми данными RXD, записанными приемником во время передачи данных TX_D. Если данные не коррелируют между собой, подается сигнал о том, что произошел конфликт. Однако такое решение подходит только в том случае, если конфликтующий сигнал в достаточной степени наложен на передаваемый сигнал. В структуре EIA-485 с длинной линией передачи, превышающей несколько сотен метров, и/или с кабелем плохого качества один передатчик может оказаться более мощным, чем другой. В частности, конфликт может остаться необнаруженным в том случае, если два передатчика располагаются на дальних концах шины.
Фиг. 3 изображает показательную структуру системы шин EIA-485 с длиной шины, составляющей 1000 м, которая включает в себя два соседних интеллектуальных электронных устройства IED 1 и 2, а также удаленное IED 32.
Фиг. 4 показывает результат передачи данных через систему шин, изображенную на фиг. 3; IED 1 является принимающим, a IED 2 и IED 32 являются передающими. Отображенные четыре сигнала включают в себя, сверху вниз: переданный сигнал от IED 2 (TX2_D), сигнал, переданный от отдаленного IED 32 (TX32 D), результирующий сигнал наложения на шине вблизи IED 1 и IED 2 (Vbus), и принятый сигнал на приемнике RS-485 внутри IED 1, как полученный из Vbus путем установления различий (RX1_D). Как видно из RX1_D, TX32_D недостаточно сильный сигнал, чтобы оказывать значительное влияние на Vbus. Другими словами, TX2 D доминирует и скрывает конфликт с сообщениями из отдаленного IED 32.
Важно отметить, что приемопередатчики EIA-485 в IED 2 и IED 32 возбуждают сигналы с одной и той же интенсивностью. Однако полное сопротивление линии передачи данных уменьшает энергию сигнала из IED 32, пока он распространяется от одного конца шины к другому. Когда сигнал приходит в IED 1 и IED 2, этот сигнал уже не достаточно сильный, чтобы в достаточной степени перекрывать локальный сигнал.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является облегчение обнаружения конфликта сообщений в системных шинах передачи данных, работающих в соответствии со стандартом EIA-485, и, в частности, в системах автоматизации подстанций, имеющих топологию шины с расширенными функциями, включающими в себя расстояния линий для передачи данных между двумя источниками сообщений, превышающих несколько сотен метров. Эта задача достигается с помощью способа облегчения обнаружения конфликта сообщений и модуля передачи данных в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения, при этом зависимость пунктов не должна истолковываться как исключение дальнейших комбинаций существенных признаков.
В соответствии с аспектом изобретения, представлен модуль передачи данных для интеллектуальных электронных устройств (IED), применяющих стандарт EIA-485, с интеллектуальной аппаратной поддержкой, которая позволяет осуществлять функцию обычного обнаружения конфликтов, связанных с программным обеспечением, чтобы обнаруживать конфликты независимо от места расположения источников сообщений на линии передачи данных. Аппаратная поддержка позволяет обеспечивать режим «возбуждения сильного сигнала», а также режим «возбуждения слабого сигнала». В «слабом» режиме резистор для смещения по стандарту EIA-485, или для затухания сигнала, или для деления напряжения временно вставляется между передатчиком или источником напряжения и линией передачи данных.
Например, активные биты, такие как любой стартовый бит и любой «пробел» или бит данных «0», передаются в «сильном» режиме. В переходный период в начале каждой метки или бита данных «1» также активизируется «сильный» режим, после чего режим передачи данных изменяется на «слабый» режим путем включения резистора цепи смещения. Это, в конечном счете, позволяет обнаружить конфликт, спровоцированный другим передатчиком. В идеале предложенная технология облегчения обнаружения конфликтов используется во взаимодействии с подходящим механизмом предотвращения конфликтов, таким как коллективный доступ с контролем несущей (CSMA).
В частности, обнаружение конфликта сообщений в системах шин передачи данных, работающих в соответствии со стандартом EIA-485, в которых передатчик сигналов присоединяется к двум проводам линии передачи данных для передачи двоичного сигнала, включающего первый бит («пробел»), за которым следует второй бит («метка»), отличающийся от первого бита, включает шаги, на которых:
- прикладывают или обеспечивают для линии передачи данных в период времени, соответствующий продолжительности первого бита, первое напряжение, указывающее на первый бит или кодирующее первый бит,
- прикладывают к линии передачи данных в течение переходного периода, более короткого, чем продолжительность второго бита, второе напряжение, указывающее на второй бит,
- прикладывают к линии передачи данных после переходного периода и предпочтительно в оставшуюся часть продолжительности второго бита, третье напряжение, также указывающее на второй бит, при этом третье напряжение может быть равно второму напряжению, при этом резистор для смещения, или затухания сигнала, или деления напряжения, обеспечивают между линией передачи данных и передатчиком или источником напряжения, обеспечивающим третье напряжение, и
- обнаруживают наложение на указанное третье напряжение сигнала от удаленного источника конфликтующего сообщения с помощью приемника, присоединенного к линии передачи данных, т.е. в месте нахождения системы шины передачи данных между резистором цепи смещения и удаленным источником сообщения.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения третье напряжение прикладывают к линии передачи данных с помощью работающего в «слабом» режиме передатчика, который отличается от передатчика, прикладывающего второе напряжение. Резисторы цепи смещения постоянно расположены между работающим в «слабом» режиме передатчиком и линией передачи данных, и, таким образом, нет необходимости их переключать или другим путем активизировать/деактивизировать.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения второе напряжение имеет обратную полярность или противоположный знак относительно первого напряжения, и продолжительность переходного периода достаточна для изменения на противоположную полярность линии передачи данных по всей длине линии. В результате переходный период в общем короче, чем пять микросекунд, в частности, короче, чем 2 микросекунды, и обычно составляет около одной микросекунды.
Краткое описание чертежей
Предмет изобретения будет объясняться более подробно в последующей части описания со ссылкой на предпочтительные показательные варианты осуществления изобретения, которые иллюстрируются на прикрепленных чертежах, в которых:
фиг. 1 схематически показывает традиционную структуру EIA-485 HD;
фиг. 2 - временная диаграмма для схемы приемопередатчика, показанной на фиг. 1;
фиг. 3 - система шин EIA-485, содержащая до 32 интеллектуальных электронных устройств (IED);
фиг. 4 - трассировка четырех сигналов, полученных в результате передачи по системе шин, показанной на фиг. 3;
фиг. 5 - реализация EIA-485 с двумя линейными формирователями по стандарту RS-485;
фиг. 6 - временная диаграмма для схемы приемопередатчика, показанной на фиг. 5; и
фиг. 7 - трассировка четырех сигналов, полученных в результате передачи данных в соответствии с изобретением.
Осуществление изобретения
Фиг. 5 изображает показательную структуру EIA-485 HD в соответствии с изобретением. В этой конфигурации используются два предпочтительно идентичных передатчика или линейных формирователя. Первичный передатчик 10 остается электрически неизмененным по отношению к конфигурации, показанной на фиг. 1, с выходом Y1 первичного передатчика 10, присоединенным к проводу А линии передачи данных, и выходом Z1, присоединенным к проводу В. Приемник 11 имеет первый вход А1, присоединенный к проводу А, и второй вход В1, присоединенный к проводу В. Смещающий передатчик 20 присоединяется к линии передачи данных параллельно первичному передатчику 10 и через резисторы RA, RB цепи смещения. Кроме того, выход Y2 смещающего передатчика 20 присоединяется через первый резистор RA цепи смещения к проводу А линии передачи данных, в то время как выход Z2 присоединяется через резистор RB цепи смещения к проводу В. Сигналы TX D и BIAS_POL передачи данных являются входами для двух передатчиков 10, 20 протокола RS-485, при этом поток TX_D передаваемых данных первичного передатчика предпочтительно также используется как вход для смещающего передатчика BIAS_POL. Два линейных формирователя соединены с назначенной программируемой матрицей логических элементов (FPGA или CPLD - сложная программируемая логическая интегральная схема, не изображена), обеспечивающей требуемые управляющие сигналы TX_EN и BIAS_EN.
Функционирование смещающих резисторов RA, RB управляется передатчиками, чтобы приводить линию передачи данных в слабый режим во время выбранных периодов «чувствительных» или «уязвимых» периодов. Работа в слабом режиме включает в себя возбуждение напряжения передатчика последовательно со смещающими резисторами и линией передачи данных. Соответственно, падение напряжения на смещающих резисторах становится сравнимым по величине с падением напряжения, допускаемым при несмещенном напряжении возбуждения сигнала, прикладываемом на удаленном конце линии передачи данных. Приемник, присоединенный к линии передачи данных между смещающими резисторами и удаленным передатчиком, будет таким образом обнаруживать отклонение или ухудшение передаваемого сигнала вследствие наложения конфликтующего сигнала. Таким образом, конфликтующий сигнал обнаруживается в передающем устройстве и о конфликте может быть просигнализировано.
Заштрихованные прямоугольники на фиг. 5 обозначают альтернативные местоположения для смещающих резисторов в варианте единственного приемопередатчика без специального смещающего передатчика 20. В этом варианте смещающие резисторы вставляются между выходами Y1 и Z1 первого передатчика и соответствующей точкой (T-point) разветвления на проводах А, В, присоединенных к входам приемника. Смещающие резисторы, которые вставляются в такие альтернативные местоположения, должны быть шунтированы или другим образом деактивированы в режиме возбуждения сильного сигнала.
Фиг. 6 изображает показательную временную диаграмму для схемы электрических приемопередатчиков, показанной на фиг. 5. В частности, вывод TX_EN первичного линейного формирователя, разрешающий передачу, является активным только в течение времени, необходимого для передачи «пробела» ("space") и для смещения уровня напряжения или полярности от «пробела» к «метке» ("mark"). Как только уровень напряжения, соответствующий «метке», установлен по всей шине, что обычно происходит через несколько микросекунд, первичный передатчик 10 отключается. Для остающейся части времени интервала «метки» передатчик 20, постоянно обеспечивающий смещение, слабо возбуждает передаваемый сигнал. В целом сигнал RX1_D только незначительно уменьшается, когда он переходит из режима сильного возбуждения к режиму слабого возбуждения.
Вывод BIAS EN смещающего формирователя, обеспечивающий смещение, является активным от стартового бита до тех пор, пока в течение некоторого заранее установленного промежутка времени последний символ не покинет UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), УАПП) - универсальный асинхронный приемопередатчик («разрешающий сигнал для байта», «Byte enable»). Поддержка смещения должна быть отключена вскоре после того как было послано сообщение, для того чтобы не перегружать шину множеством «поддерживающих смещающих устройств».
Выбор значений для смещающих резисторов зависит от типа линии передачи данных, т.е. характеристического импеданса кабеля. Соответственно, выбранное значение допускается до некоторой степени уменьшать, относительно стандартных 120 Ом, но в целом предполагается, что оно остается между 100 и 150 Ом.
Фиг. 7 показывает результат измененной передачи данных через систему шин, показанную на фиг. 3, с передающими IED 2 и IED 32. Четыре изображенных сигнала включают в себя, сверху вниз, сигналы, передаваемые из IED 2 (TX2_D) и из удаленного IED 32 (TX32_D), результирующий наложенный сигнал на шине в устройстве IED 2 (Vbus) или близко к нему, а также полученный из первого сигнала, принятый сигнал (RX2_D), определяемый приемником внутри IED 2. Благодаря смещающим резисторам IED 2, сигнал, передаваемый из удаленного IED 32, имеет заметное влияние на IED 2. Например, в момент времени t2, показывающий конец первой «метки», передаваемой из IED 32, и приблизительно совпадающей с серединой второй «метки», передаваемой из IED 2, наложенный сигнал Vbus заметно падает и различимый приемный сигнал возвращается к низкому уровню. Соответственно, IED 2 может определить различие между передаваемым сигналом и приемным сигналом? и заключить, что произошел конфликт.
С целью полноты описания следует заметить, что временная шкала соответствует длине бита в несколько миллисекунд, а скорость передачи данных в бодах составляет 300. По этой причине начальная часть режима работы с сильным сигналом, длящаяся несколько микросекунд, приводит только к узкому всплеску в наложенном сигнале и принимаемом сигнале в момент времени t1.