ИНТЕРФЕЙС ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Полезная модель относится к вычислительной технике, в частности к электрическим интерфейсам последовательного канала передачи данных.
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>0,2В (А положительнее В) - состояние «выключено» (space), U-U<-0,2В (А отрицательнее В) - состояние «включено» (mark). Диапазон /UA-UB/<0,2В 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 данного интерфейса 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. 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). Он 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.
Интерфейс «токовая петля» с гальванической развязкой позволяет передавать сигналы на расстояния до нескольких километров, но при невысоких скоростях (не выше 19200 бит/с). Допустимое расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех.
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 интерфейсае 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. Поэтому требования к параметрам линии передачи гораздо менее жесткие. Не требуется применение специальных кабелей с заданным волновым сопротивлением и установка согласующих резисторов. Энергия в линии потребляется непосредственно приемниками. Общее потребление энергии в длинной линии с «токовыми» приемниками может и не превышать потребления линии с потенциальными приемниками, но ее помехоустойчивость повышается за счет изменения потребителей этой энергии.
Однако недостаток интерфейса «токовая петля» заключается в том, что количество подключаемых абонентов всегда строго ограничено, поскольку
подключение каждого нового абонента изменяет потребление энергии в линии (требует увеличения мощности передатчика). Создание многоточечного соединения является проблематичным. Поскольку в качестве токоограничивающего устройства приемника обычно используется резистор, а в качестве источника питания передатчика - источник тока, то общее сопротивление, на которое работает источник тока передатчика, складывается из внутреннего сопротивления токового приемника и сопротивления линии, по которой протекает ток. При изменении длины линии, напряжение, выдаваемое в линию источником тока, меняется таким образом, чтобы поддерживать постоянным ток, протекающий через приемник. В случае длинной линии ее сопротивление может быть даже больше внутреннего сопротивления приемника. Если подключить к одной линии несколько приемников, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, то ток, протекающий через их входные цепи, будет разным, поскольку разными будут сопротивления участков цепи от источника тока до приемника. Таким образом, невозможно гарантировать протекание рабочего тока через любой из приемников, без проведения специальных вычислений для каждого варианта реализации канала.
В основу полезной модели положена задача создания интерфейса последовательного канала передачи данных, обладающего высокой помехоустойчивостью и обеспечивающего постоянство тока, протекающего через входные цепи множества приемников, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, что позволит создать многоточечное соединение.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что интерфейс последовательного канала передачи данных, включающий гальванически развязанные и соединенные линией передатчик, приемник и источник тока, дополнительно содержит множество соединенных линией приемников, при этом последовательно каждому из его приемников включен стабилизатор тока, поддерживающий постоянный ток, протекающий через входные цепи приемников, независимо от напряжения на их входах.
При этом сумма рабочих токов стабилизаторов тока всех приемников интерфейса не превышает значение рабочего тока источника тока.
При этом последовательно, по крайней мере, одному приемнику и стабилизатору тока, может быть включено пороговое устройство, которое выключается при падении напряжения на нем ниже заданного порогового уровня.
Интерфейс может дополнительно содержать множество соединенных линией передатчиков.
Приемник и стабилизатор тока, последовательно которым включено пороговое устройство, могут быть снабжены переключателем, отключающим указанное пороговое устройство.
Наличие дополнительного множества соединенных линией приемников и при этом включение последовательно каждому из них стабилизатора тока, поддерживающего постоянный ток, протекающий через входные цепи приемников, независимо от напряжения на их входах, обеспечивает постоянство общего тока в линии, протекающего через входные цепи множества приемников, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Это позволяет создать многоточечное соединение при обеспечении высокой помехоустойчивости.
Соблюдение условия, согласно которому сумма рабочих токов стабилизаторов тока всех приемников интерфейса не превышает значение рабочего тока источника тока, дает возможность поддерживать в линии максимальное напряжение при разомкнутом ключе передатчика и значительно уменьшать его при замыкании ключа передатчика при незначительном изменении тока в линии, а это способствует улучшению надежности передачи и увеличению длины линии.
Включение последовательно, по крайней мере, одному приемнику и стабилизатору тока порогового устройства, которое выключается при падении напряжения на нем ниже заданного порогового уровня, обеспечивает в случае передачи данных по длинной линии надежное срабатывание приемника независимо от местоположения источника тока, который в случае его удаленности от приемника может не обеспечить уменьшение напряжения на входах приемника в момент замыкания контактов передатчика до величины меньшей напряжения срабатывания (выключения) приемника, а также обеспечивает работу приемников в области высокой скорости изменения напряжения в линии, что способствует повышению скорости передачи данных.
Наличие дополнительного множества передатчиков, соединенных линией с множеством приемников, последовательное каждому из которых включен стабилизатор тока, поддерживающий постоянный ток, протекающий через входные цепи приемника, независимо от напряжения на их входах, обеспечивает возможность любому из приемников принимать данные от любого из передатчиков. Это позволяет создавать многоточечное соединение, в котором множество абонентов (устройств, имеющих
собственные приемник и передатчик) могут обмениваться между собой данными в полудуплексном режиме.
Наличие дополнительного множества передатчиков, соединенных линией с множеством приемников, последовательное каждому из которых включен стабилизатор тока, поддерживающий постоянный ток, протекающий через входные цепи приемников, независимо от напряжения на их входах, и последовательное включение хотя бы одному из приемников и стабилизатору тока порогового устройства, которое выключается при падении напряжения на нем ниже заданного порогового уровня, позволяет увеличить максимальную длину линии связи. В этой линии связи обеспечивается возможность любому из приемников принимать данные от любого из передатчиков, а также обеспечивается работа приемников в области высокой скорости изменения напряжения в линии, что способствует повышению скорости передачи данных и позволяет создавать многоточечное соединение, в котором множество абонентов (устройств имеющих собственные приемник и передатчик) могут обмениваться между собой данными в полудуплексном режиме.
Наличие в приемнике и стабилизаторе тока, последовательно которым включено пороговое устройство, переключателя, отключающего указанное пороговое устройство, обеспечивает дополнительное увеличение длины линии в случае несимметричного расположения источника тока, когда один из абонентов в линии является ведущим и содержит в своем составе передатчик, приемник и источник тока, а остальные абоненты являются пассивными и способны обмениваться информацией только с активным абонентом, а между собой связи не имеют.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами. На фиг.1 изображена схема интерфейса последовательного канала передачи данных с одним передатчиком и множеством приемников, каждый из которых снабжен стабилизатором тока; на фиг.2 - эпюра изменения напряжений на выходе источника тока; на фиг.3 - эпюра изменения напряжения в линии и падения напряжения на стабилизаторе тока; на фиг.4 - схема последовательного канала передачи данных с множеством передатчиков и множеством приемников, каждый из которых снабжен стабилизатором тока; на фиг.5 - эпюра изменения напряжения в точке подключения источника тока при замыкании линии передатчиком, расположенным в произвольной точке линии; фиг.6 - схема последовательного канала передачи данных с множеством передатчиков и множеством приемников, каждый из которых снабжен стабилизатором тока и пороговым устройством; фиг.7 - схема последовательного канала передачи данных с
множеством передатчиков и множеством приемников, каждый из которых снабжен стабилизатором тока и пороговым устройством, включенным последовательно приемнику и источнику тока, дополнительно снабженных переключателями, позволяющими отключать пороговые устройства; фиг 8 - схема последовательного канала передачи данных, реализующего протокол «Master-Slave», в которой линия, соединяющая передатчик активного абонента с приемниками пассивных абонентов, отделена от линии, соединяющей приемник активного абонента с передатчиками пассивных абонентов (дуплексный режим работы); фиг.9 - схема последовательного канала передачи данных с объединением отрицательных («земляных») проводов в линии и использованием четвертого провода для подачи питания на схемы пассивных абонентов.
Интерфейс последовательного канала передачи данных включает соединенные линией 1 передатчики 2 и приемники 3, источник тока 4 и гальваническую развязку 5. Последовательно каждому из приемников 3 включен стабилизатор тока 6, поддерживающий постоянный ток, протекающий через входные цепи приемников 3, независимо от напряжения на их входах. Последовательно, по крайней мере, одному приемнику 3 и стабилизатору тока 6 может быть включено пороговое устройство 7, которое выключается при падении напряжения на нем ниже заданного порогового уровня. Приемники 3 могут быть снабжены переключателем 8, отключающим пороговое устройство 7.
Интерфейс последовательного канала передачи данных работает следующим образом.
рит
вн
рит
вн
рит
Источник тока 4 имеет рабочую характеристику, приведенную на фиг.2. Поддержание стабильного тока в нагрузке происходит за счет изменения напряжения на выходе источника тока 4 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 4. При дальнейшем увеличении сопротивления нагрузки Р напряжение на выходе источника тока 4 будет оставаться постоянным (близким к Е), а выходной ток уменьшаться (участок 1-2 на фиг.2) от величины I до бесконечно малого значения.
рит
рит
Таким образом, источник тока 4 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.
пр
ст1
стмин
рабпр
стмин
Как видно из фиг.3 напряжение в линии 1 будет уменьшаться по мере движения от источника тока 4 к приемнику 3 за счет падения напряжения на прямом и обратном проводах линии 1, однако ток I, протекающий через любой из приемников 3, будет оставаться постоянным, независимо от точки подключения приемника 3, поскольку каждый из них имеет собственный стабилизатор тока 6. «Излишки» напряжения в точках подключения приемников 3 будут падать на стабилизаторах тока 6 (U...U), каждый из которых поддерживает постоянство тока через входные цепи включенного последовательно с ним приемника 3. Максимальная длина линии 1 от источника тока 4 до приемника 3 определяется расстоянием, на котором гарантируется сохранение рабочего напряжения U на входах приемника 3 и минимально допустимого падения напряжения на стабилизаторе тока 6 U (при котором он находится в рабочем состоянии).
рабпр
стмин
Если передатчик начнет передачу, замыкая линию 1, и напряжение в любой ее точке при этом будет падать до значения меньшего, чем U+U, то все приемники 3 будут параллельно принимать передаваемую информацию, переходя в выключенное состояние.
рит
пр
Для надежной работы схемы, представленной на фиг.1, необходимо соблюсти условие I>=N*I, где N - количество приемников 3 в линии 1. В противном случае стабилизатор тока 6, находясь на участке 2-3 рабочей характеристики (фиг.2), будет уменьшать напряжение в линии 1 и для удаленных (от источника тока 4) приемников 3 начнет сказываться влияние сопротивления линии 1, вследствие чего протекающий через них ток может стать меньше рабочего тока стабилизатора тока 6 приемника 3, что приведет к нестабильной работе приемника 3.
рит
пр
В качестве рабочей (исходной) точки на характеристике источника тока 4 (фиг.2) выбирается точка 2. При этом сумма токов протекающих через входные цепи приемников 3 с последовательно включенными стабилизаторами тока 6 пусть будет близка к рабочему току источника тока 4 (I~=I*N). В этом случае напряжение на выходе источника тока 4 будет постоянным и близким к максимально возможному значению (Е), что позволяет максимально увеличить длину линии 1. Незначительное
увеличение тока в линии 1 (в момент замыкания контактов передатчика 2) приведет к переходу на отрезок 2-3 рабочей характеристики источника тока 4 (фиг.2), что вызовет резкое падение напряжения на выходе стабилизатора тока 6 до величины
раб
лин
рит
U=2R*I,
лин
где R - сопротивление проводника линии на участке между источником тока и передатчиком.
лин
рабпр
стмин
В результате все приемники 3, для которых выполняется условие U<U+U, перейдут в выключенное состояние (будут принимать сигнал). Незначительное уменьшение тока, в момент размыкания контактов передатчика 2, вызовет возврат в точку 2 и быстрое включение всех приемников 3.
Поскольку сам передатчик 2 является чисто пассивным устройством, возможно включение в линию 1 множество передатчиков 2, расположенных в произвольных точках линии 1. Это позволяет иметь множество абонентов (устройств, способных как принимать, так и передавать информацию), соединенных одной линией и способных обмениваться информацией в полудуплексном режиме (фиг.4).
ост
лин
рит
При значительной длине линии 1 и расположении передатчика 2 в точке, удаленной от источника тока 4, в момент замыкания контакта передатчика 2 напряжение в линии 1 будет уменьшаться не до значения, близкого к нулю, а лишь до величины U=2R*I,
лин
где R - сопротивление проводника линии 1 на участке между источником тока 4 и передатчиком 2 (фиг.5).
На участках линии 1, близких к источнику тока 4, это напряжение может превысить напряжение срабатывания приемника 3, который вследствие этого не будет переходить в выключенное состояние при замыкании контактов передатчика 2. Это ограничивает максимальную длину линии, при которой обеспечивается надежная передача данных.
пор
Для исключения этого недостатка и увеличения быстродействия последовательно, по крайней мере, одному приемнику 3 и стабилизатору тока 6, включается пороговое устройство 7 (фиг.6), которое выключается (перестает проводить ток), если падение напряжения на нем опускается ниже заданного порогового уровня (U). В качестве такого устройства может выступать, например стабилитрон или цепочка последовательно включенных диодов.
Это позволяет увеличить максимальную длину линии и быстродействие, поскольку выключение приемников 3 будет происходить уже на начальном участке рабочей характеристики 2-3 (фиг.2) источника тока 4 (при падении напряжения в линии ниже порогового уровня).
На практике, очень часто бывает необходимо реализовать в линии, обеспечивающей многоточечное соединение, протокол «Master-Slave», позволяющий одному активному абоненту обмениваться информацией с любым из пассивных абонентов. При этом между собой пассивные абоненты не общаются. При размещении источника тока 4 на стороне активного абонента и установки в приемниках 3 пассивных абонентов переключателей 8, выключающих пороговое устройство 7, возможно дополнительное увеличение максимальной длины линии (фиг.7). Это происходит благодаря тому, что передатчик 2 будет замыкать линию 1 в точке максимально близкой к источнику тока 4, при этом необходимость в пороговом устройстве 7 отпадает. Максимальная длина линии 1 будет определяться только величиной падения напряжения на приемнике 3 и стабилизаторе тока 6 (без падения напряжения на пороговом устройстве 7).
Для варианта многоточечного соединения, реализующего протокол «Master-Slave», возможно отделение линии, соединяющей передатчик активного абонента с приемниками 3 пассивных абонентов, от линии, соединяющей приемник 3 активного абонента с передатчиками 2 пассивных абонентов (фиг.8), что обеспечивает одновременную передачу и прием информации (дуплексный режим работы). Таким образом, получено два варианта интерфейсов (четырехпроводный - дуплексный и двухпроводный - полудуплексный), в которых может быть реализован протокол «Master-Slave».
Преимуществом такой схемы является возможность реализации канала с максимально длиной линией, а недостатком - невозможность реализации обмена по принципу «каждый с каждым». Источник тока 4 приемника 3 может быть подключен к такой линии 1 только с одной определенной стороны (со стороны активного абонента). Такой тип канала может быть назван «несимметричным».
Если источники тока приемника 3 и передатчика 2 используют один источник напряжения, то их отрицательные («земляные) провода в линии можно объединить. В этом случае четвертый провод можно использовать для подачи питания на схемы пассивных абонентов (фиг.9).
В случае несимметричной линии часто встречается вариант, когда группа компактно расположенных пассивных абонентов удалена на значительное расстояние от активного абонента. В этом случае источник тока 4 передатчика 2 активного абонента можно перенести на сторону пассивных абонентов. Такое решение позволяет дополнительно увеличить скорость передачи.
Таким образом, предложен электрический интерфейс последовательного канала передачи данных, позволяющий вести обмен данными в дуплексном (по четырехпроводной линии) или в полудуплексном (по двухпроводной линии) режимах между любыми подключенными абонентами и имеющий следующие отличительные особенности:
- использование единственного источника питания для всей линии;
- полная гальваническая развязка всех абонентов;
- приемники и передатчики являются полностью пассивными элементами и не требуют дополнительного питания со стороны собственного абонента, что позволяет соединять абонентов, не имеющих собственного источника питания и работающих в режиме малого потребления, получая питание по одной из линий канала связи;
- высокая помехозащищенность линии;
- высокая скорость передачи;
- количество абонентов определяется выбранным рабочим током приемника (2-5 мА) и может составлять до 8-16 единиц (при рабочем токе источника тока до 40 мА).