книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

Поскольку эти резисторы оказываются подключенными параллельно линии передачи, то для обеспечения согласования линии с интерфейсом необходимо, чтобы эквивалентное сопротивление на входе линии было равно 120 Ом.

Например, если резисторы, используемые для устранения неопределенности состояния линии, имеют сопротивление 450 Ом каждое, то резистор для согласования линии должен иметь номинал 130 Ом, тогда эквивалентное сопротивление цепи будет равно 114 ≈ 120 Ом. Для того чтобы найти дифференциальное напряжение линии в третьем состоянии всех передатчиков (рис. 1.13), нужно учесть, что к противоположному концу линии в стандартной конфигурации подключен еще один резистор сопротивлением 120 Ом и до 32 приемников с входным дифференциальным сопротивлением 12 кОм. Тогда при напряжении питания V = 5 B (см. рис. 1.13) дифференциальное напряжение линии будет равно +272 мВ, что удовлетворяет требованию стандарта.

Рис. 1.13. Резисторнаяцепьнавыходетрансивера интерфейса, устраняющаянеопределенноесостояние линиииобеспечивающаяеесогласование

Сквозные токи. В сети на основе интерфейса RS-485 может быть ситуация, когда включены два передатчика одновременно.

81

Если при этом один из них находится в состоянии логической единицы, а второй – в состоянии логического нуля, то от источника питания на землю течет сквозной ток большой величины, ограниченный только низким сопротивлением двух открытых транзисторных ключей. Этот ток может вывести из строя транзисторы выходного каскада передатчика или вызвать срабатывание их схемы защиты.

Такая ситуация возможна не только при грубых ошибках в программном обеспечении, но и в случае, если неправильно установлена задержка между моментом выключения одного передатчика и включением другого. Ведомое устройство не должно передавать данные до тех пор, пока передающее устройство не закончит передачу. Повторители интерфейса должны определять начало и конец передачи данных и в соответствии ними переводить передатчик в активное или третье состояние.

Выбор кабеля. В зависимости от скорости передачи и необходимой длины кабеля можно использовать либо специально спроектированный для интерфейса RS-485 кабель, либо практически любую пару проводов. Кабель, спроектированный специально для интерфейса RS-485, является витой парой с волновым сопротивлением 120 Ом.

Для хорошего подавления излучаемых и принимаемых помех важно большое количество витков на единицу длины кабеля, а также идентичность параметров всех проводов.

При использовании неизолированных трансиверов интерфейса, кроме сигнальных проводов в кабеле, необходимо предусмотреть еще одну витую пару для соединения цепей заземления соединяемых интерфейсов (см. рис. 1.10). Кабели могут быть экранированными или нет. Без эксперимента очень трудно решить, нужен ли экран. Однако, учитывая, что стоимость экранированного кабеля ненамного выше, лучше всегда использовать кабель с экраном.

Общий провод и экран должны быть заземлены в одной точке, желательно около ведущего устройства.

82

При низкой скорости передачи и постоянном токе большую роль играет падение напряжения на омическом сопротивлении кабеля. Так, стандартный кабель для интерфейса RS-485 с сечением 0,35 мм2 имеет омическое сопротивление 48,5 · 2 = 97 Ом при длине 1 км. При терминальном резисторе 120 Ом кабель будет выполнять роль делителя напряжения с коэффициентом деления 0,55, т.е. напряжение на выходе кабеля будет примерно в 2 раза меньше, чем на его входе. Этим ограничивается допустимая длина кабеля при скорости передачи менее 100 кбит/с.

На более высоких частотах допустимая длина кабеля уменьшается с ростом частоты (рис. 1.14) и ограничивается потерями в кабеле и эффектом дрожания фронта импульсов. Потери складываются из падения напряжения на омическом сопротивлении проводников, которое на высоких частотах возрастает за счет вытеснения тока к поверхности (скин-эффект) и потерь в диэлектрике. К примеру, ослабление сигнала в кабеле Belden 9501PVC составляет 10 дБ (3,2 раза) на частоте 20 МГц и 0,4 дБ (на 4,7 %) на частоте 100 кГц при длине кабеля 100 м.

Рис. 1.14. Зависимость допустимой длины кабеля от скорости передачи для интерфейса RS-485

83

Параметр дрожания фронта импульсов определяется с помощью глазковой диаграммы. На вход линии подается псевдослучайная двоичная последовательность импульсов, минимальная ширина которых соответствует заданной скорости передачи, к выходу подключается осциллограф. Если к моменту прихода очередного импульса переходный процесс, вызванный предыдущим импульсом, не успевает установиться, то «хвост» предыдущего импульса складывается с началом очередного, что приводит к сдвигу точки пересечения импульсами нулевого уровня на входе дифференциального приемника. Величина сдвига зависит от ширины импульсов и длительности паузы между ними, поэтому, когда на вход линии подают псевдослучайную двоичную последовательность импульсов, на осциллографе, подключенном к выходу линии, описанный сдвиг проявляется как размытость или дрожание фронтов импульсов, наложенных друг на друга. Это дрожание ограничивает возможность распознавания логических уровней и скорость передачи информации. Величина дрожания оценивается в процентах относительно ширины самого короткого импульса. Чем больше дрожание, тем труднее распознать сигнал и тем ниже достоверность передачи.

На рис. 1.15 показана зависимость допустимой длины кабеля от скорости передачи при скорости более 100 кбит/с и использовании трансивера DS3695 фирмы National Semiconductor. Зависимость построена для трех значений показателей качества передачи сигнала, которые оцениваются величиной дрожания фронта импульса. Как видно, допустимая длина может быть увеличена при снижении требований к качеству передачи.

Нижняя кривая на рис. 1.15 показана для случая, когда длительность фронта импульса после прохождения сигнала по линии увеличивается до 30 % от ширины импульса. Увеличение длительности фронтов на конце линии – вторая причина, по которой длина линии не может быть больше указанной на рис. 1.15.

Расширение предельных возможностей. Стандарт RS-485

допускает подключение не более 32 приемников к одному передатчику. Эта величина ограничивается мощностью выходного каскада

84

входом, чем предусмотрено стандартом EIA/TIA-485 (12 кОм). Например, при входном сопротивлении приемника 24 кОм к стандартному передатчику можно подключить 64 приемника. Уже выпускаются микросхемы трансиверов для интерфейса RS-485 с возможностью подключения 64, 128 и 256 приемников в одном сегменте сети. Отметим, что увеличение количества нагрузок путем увеличения входного сопротивления приемников приводит к уменьшению мощности передаваемого по линии сигнала и, как следствие, к снижению помехоустойчивости.

Интерфейс RS-422 используется гораздо реже, чем RS-485, и, как правило, не для создания сети, а для соединения двух устройств на большом расстоянии (до 1200 м), поскольку интерфейс RS-232 работоспособен только на расстоянии до 15 м. Каждый передатчик RS-422 может быть нагружен на 10 приемников.

В табл. 1.14 приведено сравнение основных характеристик трех наиболее популярных интерфейсов, используемых в промышленной автоматизации.

Таблица 1 . 1 4 Сравнение интерфейсов RS-232, RS-422 и RS-485

*Примечание. Скорость передачи 30 Мбит/с обеспечивается современной элементной базой, но не является стандартной.

86

Зависимость расстояния от скорости по интерфейсу RS-485 при применении экранированной витой пары STP в технологии Profibus представлена ниже.

1.7.3. Интерфейс «токовая петля»

Интерфейс «токовая петля» применяется для передачи информации с 1950-х годов. Первоначально в нем использовался ток 60 мА. Позже, с 1962 года, получил распространение интерфейс с током 20 мА, преимущественно в телетайпных аппаратах. В 1980-х годах начала широко применяться токовая петля 4–20 мА в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики. Популярность токовой петли начала падать после появления стандарта на интерфейс RS-485 в 1983 году.

В передатчике токовой петли используется не источник напряжения, как в интерфейсе RS-485, а источник тока. По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки, поэтому в токовой петле проходит ток, не зависящий от сопротивления кабеля Rкаб, сопротивления нагрузки Rн и ЭДС индуктивной помехи Еинд (рис. 1.16), а также от напряжения питания источника тока Еп. Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.

Рис. 1.16. Принцип действия токовой петли

87

Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения. Емкостная наводка Еемк, ЭДС которой приложена не последовательно с источником тока, а параллельно ему, не может быть ослаблена в токовой петле, и для ее подавления следует использовать экранирование.

В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.

На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления Rн. При токе 20 мА для получения стандартного напряжения 2,5, 5 или 10 В используют резистор сопротивлением 125, 250 или 500 Ом соответственно.

Основным недостатком токовой петли является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля Скаб от источника тока. Например, при типовой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость кабеля составит 75 нФ. Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения 5 В необходимо время 19 мкс, что соответствует скорости передачи около 9 кбит/с. На рис. 1.17 приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажения (дрожания), которые оценивались так же, как и для интерфейса RS-485.

Вторым недостатком токовой петли, ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0–20 и 4–20 мА. В перспективных разработках рекомендуется использовать только диапазон 4–20 мА как обеспечивающий возможность диагностики обрыва линии.

Интерфейс «токовая петля» распространен в двух версиях: аналоговой и цифровой.

Аналоговая версия токовой петли используется, как прави-

ло, для передачи сигналов от разнообразных датчиков к контроллеру или от контроллера к исполнительным устройствам. Применение

88

токовой петли в данном случае дает два преимущества. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью (погрешность токовой петли может быть снижена до ±0,05 %). Кроме того, стандарт «токовая петля» поддерживается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации.

Рис. 1.17. Зависимость максимальной скорости передачи токовой петли от длины неэкранированной витой пары 22 AWG при токе петли 20 мА

В варианте 4–20 мА в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (кабель имеет разрыв, если ток равен нулю) в отличие от варианта 0–20 мА, где величина 0 мА может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Вторым преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энергии датчику для его питания.

На рис. 1.18 показаны два варианта построения аналоговой токовой петли. В варианте а используется встроенный незаземлен-

89

ный источник питания Eп, в варианте б источник питания внешний. Встроенный источник удобен при монтаже системы, а внешний – тем, что его можно выбрать с любыми параметрами в зависимости от поставленной задачи.

а

б

Рис. 1.18. Варианты построения аналоговой токовой петли:

а– со встроенным в передатчик источником питания;

б– с выносным источником питания

Принцип действия обоих вариантов состоит в том, что при бесконечно большом коэффициенте усиления операционного усилителя (ОУ) напряжение между его входами равно нулю, и поэтому ток через резистор R0 равен Vвх/R0, а поскольку у идеального ОУ ток входов равен нулю, то ток через резистор строго равен току в петле: I = Vвх/R0 и, как следует из этой формулы, не зависит от сопротивления нагрузки. Следователно, напряжение на выходе приемника определяется как

IRн = Rн Vвх.

R0

90