Стандарты электрических интерфейсов применяемых в промышленных сетях

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Последовательный интерфейс имеет различные реализации, различающиеся способом передачи электрических сигналов. Существует ряд родственных международных стандартов: RS-232C, RS-423A, RS-422A и RS-485. На рис. 1 приведены схемы соединения приёмников и передатчиков, а также показаны ограничения на длину линии L и максимальную скорость передачи данных V.

Несимметричные линии интерфейсов RS-232C и RS- 423A имеют самую низкую защищённость от синфазной помехи, хотя дифференциальный вход приёмника RS- 423A несколько смягчает ситуацию. Лучшие параметры имеет двухточечный интерфейс RS-422A и его магистральный (шинный) аналог RS-485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала используются дифференциальные сигналы с отдельной (витой) парой проводов.

В перечисленных стандартах сигнал представляется потенциалом. Существуют последовательные интерфейсы, где информативен ток, протекающий по общей цепи передатчик-приёмник - «токовая петля» и MIDI. Для связи на короткие расстояния приняты стандарты беспроводной инфракрасной связи. Наибольшее распространение в персональных компьютерах получил простейший из перечисленных - стандарт RS-232C, реализуемый СОМ-портами. В промышленной автоматике широко применяется RS-485, а также RS-422A. Существуют преобразователи сигналов для согласования этих родственных интерфейсов.

Рис. 1. Стандарты последовательного интерфейса

1. Интерфейс RS-232С (EIA-232-D)

Стандарт интерфейса RS-232С (RS от Recommended Standard - рекомендуемый стандарт) является наиболее известным и распространённым среди стандартов для последовательной передачи данных. Он был введён в 1969 году Ассоциацией электронной промышленности (Electronic Industries Association, EIA) для описания требований к интерфейсу между ЭВМ и модемами. Его последняя редакция, при которой название было изменено с RS-232 на EIA-232-D, датируется декабрем 1987 года.

Интерфейс предназначен для подключения аппаратуры, передающей или принимающей данные (АПД) к оконечной аппаратуре каналов данных (АКД).

В роли АПД может выступать компьютер, принтер, плоттер и другое периферийное оборудование. В роли АКД обычно выступает модем. Конечной целью подключения является соединение двух устройств АПД. Полная схема соединения приведена на рис. 3.12. Интерфейс позволяет исключить канал удалённой связи вместе с парой устройств АПД, соединив устройства непосредственно с помощью нуль-модемного кабеля (рис. 3).

Рис. 2. Соединение по RS-232 нуль-модемным кабелем

Стандарт RS-232 описывает управляющие сигналы интерфейса, пересылку данных, электрический интерфейс и типы разъёмов. В стандарте предусмотрены асинхронный и синхронный режимы обмена, но COM-порты поддерживают только асинхронный режим.

2. Электрический интерфейс

Стандарт RS-232 использует несимметричные передатчики и приёмники - сигнал передаётся относительно общего провода - схемной земли. Интерфейс не обеспечивает гальванической развязки устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приёмника в диапазоне -12...-3 В. Логическому нулю соответствует диапазон +3...+12 В. Диапазон -3...+3 В - зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приёмника: состояние линии будет считаться изменённым только после пересечения порога (рис. 3.14). Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12...-5 В и +5...+12 В для представления единицы и нуля соответственно. Разность потенциалов между схемными землями соединяемых устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно неверное восприятие сигналов.

Рис. 3. Приём сигналов RS-232

Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием должно производиться при отключенном питании. Иначе разность невыровненных потенциалов устройств в момент коммутации может оказаться приложенной к выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя микросхемы.

Стандарт RS-232 регламентирует типы применяемых разъёмов. На аппаратуре АПД (в том числе на СОМ-портах) принято устанавливать вилки (male - «папа») DB-25P или более компактный вариант - DB-9P. Девятиштырьковые разъёмы не имеют контактов для дополнительных сигналов, необходимых для синхронного режима (в большинстве 25-тиштырьковых разъёмов эти контакты не используются).

На аппаратуре АКД (модемах) устанавливают розетки (female - «мама») DB-25S или DB-9S.

Это правило предполагает, что разъёмы АКД могут подключаться к разъёмам АПД непосредственно или через переходные «прямые» кабели с розеткой и вилкой, у которых контакты соединены «один в один». Переходные кабели могут являться и переходниками с 9-ти на 25-тиштырьковые разъёмы (рис. 4). Если аппаратура АПД соединяется без модемов, то разъёмы устройств (вилки) соединяются между собой нуль-модемным кабелем (Zero-modem или Z-modem), имеющим на обоих концах розетки, контакты которых соединяются перекрёстно по одной из схем, приведённых на рис. 4. Чаще всего в системах промышленной автоматизации используется минимальный нуль-модемный кабель (рис. 4, а), позволяющий реализовать двунаправленный асинхронный обмен. Остальные сигналы, служащие для управления потоком данных, диагностики состояний модема и передатчика не используются.

Рис. 4. Кабели подключения модемов: SG (Signal Ground) - сигнальная земля; TD (Transmit Data) - передаваемые данные (выход передатчика); RD (Receive Data) - принимаемые данные (вход приёмника); RTS (Request To Send) - запрос от АПД на передачу данных; CTS (Clear To Send) - разрешение АПД передавать данные; DSR (Data Set Ready) - сигнал готовности от АКД; DTR (Data Terminal Ready) - сигнал готовности АПД к обмену данными; DCD (Data Clear Detected) - сигнал обнаружения несущей от АКД; RI (Ring Indicator) - индикатор вызова (звонка) от АКД

Если на каком-либо устройстве АПД установлена розетка - это почти стопроцентный признак того, что к другому устройству оно должно подключаться прямым кабелем, аналогичным кабелю подключения модема. Розетка устанавливается обычно на тех устройствах, у которых удалённое подключение через модем не предусмотрено.

Рис. 5. Нуль-модемный кабель: а - минимальный, б - полный

3. Интерфейсы RS-422A и RS-485 (EIA/TIA-422A и EIA/TIA-485)

Стандарт RS-485 был совместно разработан двумя ассоциациями производителей: Ассоциацией электронной промышленности (Electronic Industries Association, EIA) и Ассоциацией промышленности средств связи (Telecommunications Industry Association, TIA). Многие инженеры продолжают использовать обозначение RS, однако ассоциация официально заменила «RS» на «EIA/TIA» с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов.

Стандарты RS-485 и RS-422A имеют много общего, и поэтому их часто путают. В табл. 1 приведены их основные характеристики. RS-485 определяет двунаправленную полудуплексную передачу данных и является единственным стандартом EIA/TIA, допускающим объединение нескольких приёмников и передатчиков в единую сеть с помощью шины. RS-422, с другой стороны, определяет единственный однонаправленный передатчик с несколькими приёмниками. Элементы RS-485 обратно совместимы и взаимозаменяемы со своими двойниками из RS-422A, однако передатчики RS-422A не должны использоваться в системах на основе RS-485, поскольку они не могут отказаться от управления шиной.

Таблица 1. Основные характеристики интерфейсов RS-422A и RS-485

Разное количество приёмников, подключаемых по интерфейсам RS-422A и RS-485, объясняется более жёсткими требованиями к минимальному входному сопротивлению приёмника со стороны RS-485, и одновременно большей мощностью передатчика. Допустимая нагрузка передатчика RS-485/RS-422A количественно определяется в терминах единичной нагрузки, которая, в свою очередь, определяется как входной импеданс одного стандартного приёмника (для RS-485 - 12 кОм). Таким образом, стандартный передатчик RS-485 может управлять 32 единичными нагрузками (32 параллельных 12-килоомных нагрузки). Однако для некоторых приёмников RS-485 входное сопротивление является более высоким - 48 кОм (1/4 единичной нагрузки) или даже 96 кОм (1/8 единичной нагрузки) - и, соответственно, к одной сигнальной линии могут быть подключены сразу 128 или 256 таких приёмников. В общем случае можно подключить любую комбинацию типов приёмников, если их параллельный импеданс не превышает 32 единичных нагрузки (т.е. общее сопротивление параллельно включенных приёмников не меньше 375 Ом).

Для передачи информации оба интерфейса используют принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам (рис. 6). Причём по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) - его инверсная копия.

Другими словами, если на одном проводе «1», то на другом «0» и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при «1» она положительна, при «0» - отрицательна.

Рис. 6. Дифференциальный метод передачи данных

Именно этой разностью потенциалов и передаётся сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передаётся потенциалом в одном проводе относительно общего провода, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающей наводки схемной земли. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да ещё перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

Приёмник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB) переводит их в цифровой сигнал на выходе. Когда UAB > +200 мВ - приёмник определяет «1», когда UAB < -200 мВ - приёмник определяет «0». Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения - правильное распознавание сигнала не гарантируется. Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые исказят столь слабый сигнал.

Как уже говорилось, стандарт RS-422A разрешает подключение к одной паре проводников одного передатчика и до десяти приёмников (рис. 7). При этом реализуется симплексный режим передачи информации.

Рис. 7. Двухпроводное соединение устройств с помощью интерфейса RS-422A

Для реализации двунаправленного обмена (дуплексный режим) используются устройства, объединяющие в себе приёмник и передатчик (рис. 8), и четырёхпроводная схема подключения (рис. 9). Приём и передача идут по двум отдельным парам проводов. При подобном подключении с помощью RS-422A возможно реализовать соединение «точка-точка». Терминальные сопротивления RT=100 Ом устанавливаются на конце сигнальной линии на стороне приёмника.

RS-485 - полудуплексный интерфейс. Приём и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они «умеют» отключаться в режиме приёма (рис. 10). Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к другому. На обоих концах витой пары устанавливаются терминаторы - RT=100 Ом.

Интерфейс RS-485 может использоваться в четырёхпроходном режиме для организации шины с централизованным арбитражем (рис. 11). В этом случае только один ведущий узел (Master) имеет право инициировать обмен данными, а все остальные ведомые узлы (Slave) только отвечают на его запросы. Приёмники всех ведомых узлов подключаются к передатчику ведущего узла, а передатчики всех ведомых - к приёмнику ведущего.

Специальный тип разъёмов для RS-422A/RS-485 не определён.

Рис. 8. Сигналы приёмопередатчиков RS-422A и RS-485: D (Driver) - передатчик; R (Receiver) - приёмник; DI (Driver Input) - цифровой вход передатчика; RO (Receiver Output) - цифровой выход приёмника; A, A' - прямой дифференциальный вход/выход; B, B' - инверсный дифференциальный вход/выход

Рис. 9. Четырёхпроводное соединение устройств с помощью интерфейса RS-422A

Рис. 10. Двухпроводное соединение нескольких устройств с помощью интерфейса RS-485

Рис. 11. Четырёхпроводное соединение нескольких устройств с помощью интерфейса RS-485

4. Интерфейс «токовая петля»

Распространённым вариантом последовательного интерфейса является токовая петля. В ней электрическим сигналом является не уровень напряжения относительно общего провода, а ток в двухпроводной линии, соединяющей приёмник и передатчик. Логической единице (состоянию «включено») соответствует протекание тока 20 мА, а логическому нулю отсутствие тока. Такое представление сигналов для описанного формата асинхронной посылки позволяет обнаружить обрыв линии - приёмник заметит отсутствие стоп-бита (обрыв линии действует как постоянный логический нуль). Скорость передачи - 19200 кбит/с.

Токовая петля обычно предполагает гальваническую развязку входных цепей приёмника от схемы устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком). Возможно и питание от приёмника (активный приёмник), при этом выходной ключ передатчика может быть также гальванически развязан с остальной схемой передатчика. Существуют упрощенные варианты без гальванической развязки, но это уже вырожденный случай интерфейса.

Токовая петля с гальванической развязкой позволяет передавать сигналы на расстояния до нескольких километров. Расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех. В табл. 2 приводятся сравнительные характеристики рассмотренных физических интерфейсов.

интерфейс информационный приёмопередатчик

Таблица 2. Сравнительные характеристики стандартных физических интерфейсов

Размещено на Allbest.ru