Основы интерфейсов последовательной передачи данных

Растущий объем внедрения самых различных систем автоматизации во всех областях промышленности требует обработки постоянно возрастающего объема информации. «Основными артериями» являются кабели последовательной передачи данных, по которым управляют комплексными процессами и передают результаты измерений параметров технологического процесса.

Широко применяются различные типы последовательных интерфейсов, которые гарантируют помехозащищенную высокоскоростную передачу данных в тяжелых промышленных условиях.

RS-232 (V.24)

Один из самых распространенных последовательных интерфейсов определен в стандартах TIA-232 и CCITT V.24.

Интерфейс реализует обмен данными между двумя устройствами (соединение точка к точке) в дуплексном режиме на расстоянии до 15 м.

В самой простой конфигурации требуется три провода – ТхD (передаваемые данные), RxD (принимаемые данные) и GND (общий сигнальный провод). При этом управление передачей данных осуществляется с так называемым программным квитированием. Для передачи с программным квитированием имеются дополнительные линии, используемые для передачи сигналов управления, тактовых сигналов, а так же для сигнализации.

Интерфейсы устройств могут быть спроектированы как оборудование для передачи данных (DCE) или как оконченное оборудование обработки данных (DTE). Различительным признаком является разное направление передачи на линиях при одинаковом обозначении и назначении выводов. Пример: DTE-устройство осуществляет передачу через подключение TxD (передаваемые данные), в то время как DCE-устройство через это же соединение принимает данные. Такое решение позволяет реализовать простую прямую связь между двумя устройствами. При соединении однотипных устройств все соединительные линии необходимо перекрещивать.

Уровни сигналов обеих линий передачи данных определены следующим образом:

• от -3 до -15 для логического значения «I»

• от +3 до +15 для логического значения «0»

На линиях передачи управляющих и оповестительных сигналов логика работы, напротив, инвертирована (лог. «I» = положительный потенциал). Максимальная скорость передачи данных составляет 115,2 кбит/с. В промышленных условиях дистанцию передачи в таком случае рекомендуется уменьшить до 5 м.

TTY

Интерфейс TTY с токовой петлей впервые был применен в телеграфии. В настоящее время его все еще можно встретить впрограммируемых логических контроллерах (ПЛК) и принтерах. Как для передачи, так и для приема данных необходимо по одной паре линий, при этом линии должны быть попарно скручены. Передача данных осуществляется в дуплексном режиме с программным квитированием. Линии передачи управляющих сигналов не предусмотрены. Значение тока 20 мА в петле соответствует состоянию логическая «I». Если цепь тока разорвана, это воспринимается как состояние логический «0». В каждой петле требуется формирующий ток источник, который может быть подключен либо на передающей, либо на принимающей стороне. Сторона, формирующая ток, считается «активной», «пассивная» же находится всегда напротив активной. Различают три конфигурации интерфейса:

1. Полностью активные интерфейсы TTY с источниками тока как ветви передатчика, так и в ветви приемника.

2. Пассивные интерфейсы TTY без соответствующих источников стабилизированного тока.

3. Полуактивные интерфейсы TTY с источником тока только на стороне передачи (TD).

Приемник (RD) является пассивным. Каждая токовая петля может работать лишь с одним источником тока. Разрешены только комбинации «полностью активный/пассивный» и «полуактивный/полуактивный». Такая передача данных может быть реализована на расстояния до 1000 м. Максимальная скорость передачи составляет 19200 бит/с.

RS-422

Требования интеллектуальных машин к быстрым и высокопроизводительным средствам передачи данных описываются стандартом RS-422. Последовательная передача данных между двумя устройствами осуществляется в дуплексном режиме со скоростью до 10 Мбит/с на расстояния до 1200 м.

Интерфейс реализует как минимум один канал передачи данных (Т) и один канал приема данных (R). Координация приема/передачи осуществляется при этом на основе программного квитирования. В качестве варианта возможна передача с аппаратным квитированием. При этом требуется наличие каналов управления (I) и сигнализации (С). Высокая надежность передачи достигается путем измерения дифференциального напряжения между проводниками соответствующей скрученной пары. Паразитное напряжение, возникающее относительно общего провода, влияния не оказывает.

Электрические уровни в линиях передачи данных определены следующим образом:

• от -0,3 до -6 для логической «I»

• от +0,3 до +6 для логического «0».

Состояние сигнала характеризуется разницей напряжений между точками замера (А) и (В). Если напряжение в точке (А) по сравнению с напряжением в точке (В): - Отрицательно, то линия данных – лог. I, линия управления – лог.0, (UA-UB-0,3 B).

Оконченные сопротивления нагрузки (100…200 Ом) на входах приемника, не только препятствует отражению в линии передачи, но и дополнительно повышают надежность передачи благодаря четко выраженному результирующему току.

RS-485 W2

Этот тип последовательного интерфейса отличается не только высокой производительностью, как и интерфейс RS-422, но также допускает многоточечное подсоединение до 32 оконечных устройств. Электрические уровни и сопоставленные им логические значения идентичны определяемым стандартом RS-422. правда, из-за 2-проводной схемы соединения передача данных может осуществляться только в полудуплексном режиме, это означает, что передача и прием данных производятся попеременно и должны управляться соответствующей программой. Соответствующий программно реализуемый протокол должен в отличие от коммуникации по чистой схеме точка-точка обеспечить возможность обращения к каждому подключенному по многоточечной схеме оконечному устройству по адресу, а также идентификацию этого устройства. В каждый момент времени передавать данные может лишь одно оконечное устройство, все остальные должны в это время находиться в режиме «слушания». Двухпроводной шинный кабель может иметь длину до 1200 м, на его обоих концах должны быть подключены оконечные сопротивления нагрузки (100…200 Ом). Отдельные оконечные устройства могут удаляться от шины с использованием ответвлений на расстояние до 5 м. При применении попарно скрученного и экранированного кабеля максимальная скорость передачи данных составляет 10 Мбит/с. Стандарт RS-485 определяет всего лишь физические свойства интерфейса. Поэтому совместимость интерфейсов RS-485 между собой не обязательно гарантирована. Такие параметры, как скорость передачи, формат и кодирование данных определяются системными стандартами, например стандартами INTERBUS, PROFIBUS, MODBUS и т.п.

RS-485 W4

Стандарт RS-485 с 4-проводной схемой позволяет в противовес стандарту RS-485 с 2-проводной схемой осуществлять связь через шину в дуплексном режиме. Примером этого является измерительная шина DIN-Messbus. В отличие от 2-проводной технологии в этом случае ветви передачи приемника отделены друг от друга и поэтому могут работать одновременно. Топологии, основанные на принципе «ведущий/ведомый», применяются предпочтительно в измерительных шинных системах, в которых ведущее устройство ведет передачу данных максимально 32 ведомым, находящимся в режиме «слушания». Ветви передачи ведомых устройств могут находиться в третьем дискретном состоянии (tri-state), в котором поддерживается их высокое полное сопротивление. Только измерительная станция, к которой поступил запрос, активно подключает свой передатчик к шине. Электрические уровни и их логические значения соответствуют, как и во всех других интерфейсах типа RS-485, стандарту RS-422. Максимальная скорость передачи составляет 10 Мбит/с. Кабель шины должен иметь оконечные сопротивления, его жилы должны быть попарно скручены и экранированы.

Модем

Обычная телефонная сеть позволяет передавать только аналоговые сигналы в диапазоне частот от 300 Гц до 3,4 кГц. Поэтому для передачи через телефонную сеть цифровых сигналов от последовательных интерфейсов необходимо предварительное преобразование. Для этого требуется устройство, преобразующее поток цифровых данных в колебания аналоговых сигналов, а эти колебания затем обратно в поток цифровых данных. Эти процессы называют модуляцией и демодуляцией, а устройство, их выполняющее, соответственно модемом. Процесс образования коммутируемой связи соответствует международным стандартам. При этом несущая частота служит для синхронизации обоих модемов. С помощью общедоступной телефонной сети можно таким образом реализовать канал между устройствами, расположенными в любой точке мира. Но даже при использовании выделенной линии расстояния в 20 км не составляют проблемы.

Хотя требуется только два провода, передача данных чаще всего происходит в дуплексном режиме.

Максимальная производительность аналоговой линии составляет 33,6 кбит/с.

Передач а по стандарту V.90 со скоростью 56 кбит/с возможна только от интернет-сервера к модему. В обратном направлении, т.е. от модема V.90 к модему V.90, скорость передачи составляет максимум 33,6 кбит/с.

INTERBUS

INTERBUS представляет собой кольцевую систему. Передающая и принимающая линии объединены в один кабель, из-за этого INTERBUS воспринимается как древовидная структура с линиями, представленными ответвлениями от магистрального кабеля. Эти ответвления соединяются с удаленной шиной через ответвительные клеммные модули шины. Соединения между оконечными устройствами удаленной шины являются активными соединениями точка-точка, физический уровень соответствует стандарту RS-422. При этом полезные данные передаются как дифференциальные сигналы по попарно скрученным сдвоенным проводам (4 провода) в дуплексном режиме. Скорость передачи данных составляет 500 кбит/с или 2 Мбит/с. Возможная общая протяженность линий связи до 12,8 км, при этом система может включать в себя максимум 255 сегментов длиной до 400 м каждый.

Применение повторителей и согласующих резисторов-терминалов на конце линии не требуется, поскольку кольцо автоматически замыкается на последнем устройстве удаленной шины.

PROFIBUS

Шина PROFIBUS определена стандартами МЭК 61158 и МЭК 61784 и технически базируется на 2-проводной системе RS-485 с полудуплексным режимом передачи данных. Система Profibus построена как чисто линейная структура с возможностью подключения до 32 оконечных устройств, максимальная протяженностью сегмента шины составляет 1200 м. чтобы обеспечит помехоустойчивую работы шины, в частности, при высоких значениях скорости передачи данных, следует применять лишь те типы шинных кабелей, которые разработаны специально для шины Profibus. Оконечные устройства системы Profibus соединяются между собой путем прокладки двухжильного шинного кабеля со скрученными жилами. Если в сеть необходимо объединить больше оконечных устройств, то машину или промышленную установку необходимо сегментировать. Отдельные сегменты обмениваются между собой данными через повторители, которые обеспечивают усиление и разделение потенциалов сигналов, несущих полезную информацию. Каждый повторитель расширяет систему на один дополнительный сегмент с 32 оконечными устройствами и полной длиной кабеля, причем максимально можно подключить 127 оконечных устройств. Скорость передачи в системах Profibus может быть настроена в диапазоне от 9,6 кбит/с до 12Мбит/с. Значение скорости влияет на допустимую длину сегментов шины, а также пассивных ответвлений (таблица). Чтобы обеспечить надежную передачу данных, каждый сегмент шины Profibus на медном кабеле должен начинаться и заканчиваться согласующим резистором.

CANopen/Device Net

Протокол локальной сети контроллеров (Controller Area Network (CAN)) был первоначально разработан для объединения в сеть автомобильной электроники. Путем расширения протокола были получены системы CANopen и Device Net для промышленных применений полевой шины.

Все оконечные устройства шины соединяют линейно трехжильным кабелем имеющим в начале и в конце согласующие сопротивления.

Оконечные устройства прослушивают обмен данными по шине и, дождавшись паузы, начинают передачу пакетов данных. Часто несколько оконечных устройств идентифицируют шину как свободную и начинают передачу данных одновременно. Поскольку разные пакеты данных при этом могли бы мешать друг другу, предусмотрен побитовый арбитраж, предотвращающий потерю данных. Этот механизм называют Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidment (сокращенно CSMA/CA – множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов).

Оконечные устройства сравнивают уровни сигнала на шине с уровнями передаваемых ими сигналов. Эти уровни могут оказаться либо доминантными (уровень 0) или рецессивными (уровень I). Как только поверх собственной комбинации битов будет записан доминантный уровень, это означает, что другое оконечное устройство перешло в режим передачи. Оказавшийся рецессивным передатчик немедленно останавливает свою передачу и будет пытаться снова передать свой пакет данных уже во время следующей паузы. Сообщения, а тем самым и запросы на доступ к шине можно при раздаче адресов ранжировать по приоритетам в зависимости от количества доминантных бит.

Время распространения сигнала ограничивает максимально достижимую протяженность сети в зависимости от скорости передачи, так как метод CSMA/CA работает только в ограниченном временном окне. Это обязательно необходимо учитывать при проектировании.

Ethernet

Ethernet описан в стандарте IEE 802 и был первоначально разработан для коммуникации между офисными устройствами (компьютерами, принтерами и т.п.). При этом была принята линейная топология и был применен коаксиальный кабель. В настоящее время сети строят исключительно с децентрализованной топологией типа «звезда» на основе витых пар или оптоволоконного кабеля. При этом в промышленных сетях скорость передачи данных составляет 10 или 100 Мбит/с. Структуру сети можно согласовать с требованиями каждого отдельного случая путем организации каскадов с помощью разветвителей типа «звезда» (концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы).

Если для распределения данных применяют концентраторы, система должна работать в полудуплексном режиме. В этом случае обмен данными обеспечивается механизмом Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidment (CSMA/CA – множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов). При этом оконечные устройства прослушивают канал обмена информацией в сети и начинают передачу данных только после приостановки других передач. Пакет отсылается каждому оконечному устройству сети. Оконечные устройства сравнивают содержащийся в присланном пакете адрес получателя со своим собственным адресом и принимают пакет только в случае совпадения адресов. Часто несколько оконечных устройств идентифицируют шину как свободную и начинают передачу данных одновременно. Вследствие этого пакеты данных разрушают друг друга, В этом случае говорят о коллизии. Активное конечное устройство, первым обнаружившее коллизию, сразу же требует от всех оконечных устройств медленной остановки передачи данных. Чтобы пакеты данных не потерялись и их можно было бы послать вновь, передатчики должны получить квитирующее сообщение до того, как был послан последний бит сообщения.

Временные ограничения квитирующего сообщения при коллизии непосредственно влияют на максимальную протяженность сети. Так называемый коллизионный домен ограничивается сетевым адаптером, маршрутизатором или коммутатором. Такая сегментация сети устраняет ограничения сети с концентраторами, благодаря этому становятся возможными большая территориальная протяженность сети и оптимизация обмена данными.

В идеальном случае каждое оконечное устройство подключают к коммутационному порту, тем самым оно получает собственный коллизионный домен. Производительность сети повышается, поскольку коллизии исключены, механизм CSMA/CD можно отключить и эксплуатировать сеть в дуплексном режиме в полосе частот двойной ширины.

При монтаже следует учитывать тип применяемого устройства. В соответствии с интерфейсами DTE/DCE в случае устройств RS-232 имеются Ethernet-устройства с интерфейсами MDI или MDIx. Однотипные устройства необходимо всегда подключать соединительными кабелями со скрещенной разводкой, а устройства различного типа кабелями с разводкой 1:1.

С помощью внутренней коммутации, объединяющей множество устройств, возможно переключение интерфейса вручную или автоматически (функция автосогласования) непосредственно на месте установки. Благодаря этому во всех случаях имеется возможность соединения кабелем с разводкой 1:1.

Еще одним автоматическим механизмом является функция автосогласования скорости и режима работы, благодаря которой устройства выбирают общие для всех скорость и режим передачи (полудуплекс или дуплекс).