Интерфейсы физического уровня

1.

* Интерфейсы физического уровня
Дисциплина: ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ,
ИНТЕРФЕЙСЫ И ПРОТОКОЛЫ ПЕРЕДАЧИ
ДАННЫХ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ
Свечкарев Сергей Владимирович,
Кандидат технических наук

2.

Токовая петля
Интерфейс физического уровня «токовая
петля» представляет собой способ передачи
информации с помощью электрического тока.
Передача информации с помощью тока
обеспечивает более высокую защиту от
электромагнитных помех.
Для передачи информации используется
управляемый источник тока.
По
виду
передаваемой
информации
различаются аналоговая токовая петля и
цифровая токовая петля.

3.

Токовая петля
Интерфейс "токовая петля" используется для
передачи
информации
с
1950-х
годов.
Первоначально в нем использовался ток 60 мА.
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.
С появлением стандарта на интерфейс RS-485
(1983 г.) и в настоящее время популярность
"токовой петли" начала падать и в настоящее
время она практически не применяется.

4.

Токовая петля
Ток, вытекающий из источника тока, не
зависит от сопротивления кабеля, параметров
нагрузки и э. д. с. индуктивной помехи, а также
от напряжения питания источника тока.
Ток в петле может измениться только
вследствие утечек кабеля, которые очень малы.

5.

Токовая петля
Емкостная наводка Eемк, э. д. с. которой
приложена не последовательно с источником
тока, а параллельно ему, не может быть
ослаблена в "токовой петле" и для ее
подавления
следует
использовать
экранирование.

6.

Токовая петля
В качестве линии передачи 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, называемого измерительным.
Соответственно, при токе 20 мА для получения
стандартного напряжения 2,5 В, 5 В или 10 В
используют резистор сопротивлением 125 Ом,
250 Ом или 500 Ом.

7.

Недостатки
Основным недостатком "токовой петли"
является
ее
принципиально
низкое
быстродействие,
которое
ограничивается
скоростью заряда емкости кабеля 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.

8.

Недостатки
Другим
недостатком
"токовой
петли",
ограничивающим ее практическое применение,
является
отсутствие
стандарта
на
конструктивное исполнение разъемов.
Фактически стали общепринятыми диапазоны
токовых сигналов 0...20 мА и 4...20 мА.
В перспективных разработках рекомендуется
использовать только диапазон 4...20 мА, как
обеспечивающий возможность диагностики
обрыва линии.

9.

* Интерфейсы RS-485, RS-422 и RS-232
Дисциплина: ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ,
ИНТЕРФЕЙСЫ И ПРОТОКОЛЫ ПЕРЕДАЧИ
ДАННЫХ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ
Свечкарев Сергей Владимирович,
Кандидат технических наук

10.

Общие сведения
RS в сокращениях типа RS-232, RS-485, RS422
означает
Recommended
Standard
(рекомендованный стандарт).
Типы интерфейсов передачи:
• Симплексные.
• Полудуплексные.
• Дуплексные (полный дуплекс).

11.

Общие сведения
Симплексные
интерфейсы
позволяют
передавать данные только в одну сторону, т.е.
только с передатчика на приемник.
Хороший пример симплексного интерфейса FM радио или телевидение, если только не
принимать во внимание возможность позвонить
на радиостанцию.
Применяется в тех случаях, когда надо просто
передать информацию какому либо устройству
без необходимости подтверждения и обратной
связи.

12.

Общие сведения
Полудуплексные
интерфейсы
снимают
главное ограничение симплексных интерфейсов
- односторонняя связь.
Они
позволяют
двум
устройствам
обмениваться
информацией,
причем
оба
устройства могут быть и приемниками и
передатчиками, но не одновременно!
Т.е.
каждое
устройство
может
либо
передавать, либо принимать.

13.

Общие сведения
Дуплексные интерфейсы наиболее
функциональны.
Применение дуплексного интерфейса
позволяет и прием и передачу информации
одновременно, т.е. оба устройства могут быть и
приемником и передатчиком одновременно.

14.

Общие сведения
Под обозначениями RS-232, RS-422 и RS-485
понимаются интерфейсы для цифровой
передачи данных.
Стандарт RS-232 более известен как обычный
СОМ порт компьютера или последовательный
порт.
Интерфейсы RS-422 и RS-485 широко
применяются в промышленности для
соединения различного оборудования.

15.

Интерфейс RS-232
Интерфейс RS-232 (TIA/EIA-232) предназначен
для организации приема-передачи данных
между передатчиком или терминалом (англ. Data
Terminal Equipment, DTE) и приемником или
коммуникационным оборудованием (англ. Data
Communications Equipment, DCE) по схеме точкаточка.
Скорость работы RS-232 зависит от
расстояния между устройствами, обычно на
расстоянии 15 метров скорость равна 9600 бит/с.
На минимальном расстоянии скорость обычно
равна 115.2 кбит/с, но есть оборудование,
которое поддерживает скорость до 921.6 кбит/с.

16.

Интерфейс RS-232
Интерфейс RS-232 работает в дуплексном
режиме, что позволяет передавать и принимать
информацию одновременно, потому что
используются разные линии для приема и
передачи.
Информация по интерфейсу RS-232
передается в цифровом виде логическими 0 и 1.
Логической «1» (MARK) соответствует
напряжение в диапазоне от −3 до −15 В.
Логическому «0» (SPACE) соответствует
напряжение в диапазоне от +3 до +15 В.

17.

Интерфейс RS-232

18.

Интерфейс RS-232
Существует три типа подключения устройств в
RS-232:
• терминал-терминал DTE-DTE,
• терминал- коммуникационное оборудование
DTE-DCE,
• модем-модем DCE-DCE.
Кабель DTE-DCE называется «прямой
кабель», потому что контакты соединяются один
к одному.
Кабель DCE-DCE называется «нуль-модемный
кабель», или по-другому кросс-кабель.

19.

Интерфейс RS-232

20.

Интерфейс RS-232

21.

Интерфейс RS-232

22.

Интерфейс RS-232
Таблица с распиновкой разъемов DB9 и DB25.
DB9 DB25 Обозначение
Название
1
8
CD
Carrier Detect
Описание
Обнаружение несущей
2
3
RXD
Receive Data
Прием данных
3
2
TXD
Transmit Data
Передача данных
4
20
DTR
Data Terminal Ready Готовность оконечного
оборудования
5
7
GND
System Ground
Общий провод
6
6
DSR
Data Set Ready
Готовность оборудования
передачи
7
4
RTS
Request to Send
Запрос на передачу
8
5
CTS
Clear to Send
Готов передавать
9
22
RI
Ring Indicator
Наличие сигнала вызова

23.

Интерфейс RS-232
Одно сообщение, передаваемое по RS232/422/485, состоит из стартового бита,
нескольких бит данных, бита чётности и стопового
бита.
Структура передаваемых данных в RS-232.

24.

Интерфейс RS-232
Стартовый бит (start bit) - бит обозначающий
начало передачи, обычно равен 0.
Данные (data bits) – 5, 6, 7 или 8 бит данных.
Первым битом является менее значимый бит.
Стоповый бит (stop bit) – бит означающий
завершение передачи сообщения, может
принимать значения 1, 1.5 (Data bit =5), 2.

25.

Интерфейс RS-232
Бит четности (parity bit) – бит предназначенный
для проверки четности. Служит для обнаружения
ошибок. Может принимать следующие значения:
Четность (EVEN), принимает такое значение, чтобы
количество единиц в сообщении было четным
Нечетность (ODD), принимает такое значение,
чтобы количество единиц в сообщении было
нечетным
Всегда 1 (MARK), бит четности всегда будет равен 1
Всегда 0 (SPACE), бит четности всегда будет равен 0
Не используется (NONE)
Например, сокращение 8Е1 обозначает, что передается 8
бит данных, используется бит четности в режиме EVEN
и стоп бит занимает один бит.

26.

Интерфейс RS-485
В промышленности чаще всего используется
интерфейс RS-485 (EIA-485), потому что
используется многоточечная топология, что
позволяет подключить несколько приемников и
передатчиков.
Существует два типа RS-485:
• с 2 контактами, работает в режиме полудуплекс;
• с 4 контактами, работает в режиме полный
дуплекс.

27.

Дифференциальная передача сигнала
В основе построения интерфейса RS-485
лежит дифференциальный способ
передачи сигнала, когда напряжение,
соответствующее уровню логической единицы или
нуля, отсчитывается не от "земли", а измеряется
как разность потенциалов между двумя
передающими линиями: Data+ и Data-.
При этом напряжение каждой линии
относительно "земли" может быть произвольным,
но не должно выходить за диапазон -7...+12 В.

28.

Дифференциальная передача сигнала
Благодаря симметрии линий относительно
"земли" в них наводятся помехи, близкие по форме
и величине.
В приемнике с дифференциальным входом
сигнал выделяется путем вычитания напряжений на
линиях, поэтому после вычитания напряжение
помехи оказывается равным нулю.
В реальных условиях, когда существует
небольшая асимметрия линий и нагрузок, помеха
подавляется не полностью, но ослабляется
существенно.

29.

Дифференциальная передача сигнала
Для минимизации чувствительности линии
передачи к электромагнитной наводке
используется витая пара проводов.
Токи, наводимые в соседних витках
вследствие явления электромагнитной
индукции, по "правилу буравчика" оказываются
направленными навстречу друг-другу и
взаимно компенсируются.
Степень компенсации определяется
качеством изготовления кабеля и количеством
витков на единицу длины.

30.

"Третье" состояние выходов
Особенностью передатчика D (D - "Driver")
интерфейса RS-485 является возможность
перевода выходных каскадов в "третье"
(высокоомное) состояние сигналом
(Driver Enable).
Для этого запираются оба транзистора
выходного каскада передатчика.
Наличие третьего состояния позволяет
осуществить полудуплексный обмен между
любыми двумя устройствами, подключенными
к линии, всего по двум проводам.

31.

Двухпроводный интерфейс

32.

Четырехпроводной интерфейс

33.

Четырехпроводной интерфейс
Недостатком четырехпроводной схемы
является необходимость жесткого указания
ведущего и ведомых устройств на стадии
проектирования системы, в то время как в
двухпроводной схеме любое устройство может
быть как в роли ведущего, так и ведомого.
Достоинством четырехпроводной схемы
является возможность одновременной
передачи и приема данных, что бывает
необходимо при реализации некоторых
сложных протоколов обмена.

34.

Согласование линии
Если время распространения
электромагнитного поля через кабель
становится сравнимо с характерными
временами передаваемых сигналов, то кабель
нужно рассматривать как длинную линию с
распределенными параметрами.
Время распространения электромагнитного
поля в нем составляет 60...75% от скорости
света в вакууме и зависит от диэлектрической и
магнитной проницаемости диэлектрика кабеля,
сопротивления проводника и его конструктивных
особенностей.

35.

Согласование линии
Электромагнитная волна, достигая конца
кабеля, отражается от него и возвращается к
источнику сигнала, отражается от источника и
опять проходит к концу кабеля.
Вследствие потерь на нагрев проводника и
диэлектрика амплитуда волны в конце кабеля
всегда меньше, чем в начале.
Для типовых кабелей можно считать, что
только первые 3 цикла прохождения волны
существенно влияют на форму передаваемого
сигнала.

36.

Согласование линии
Это дает общую длительность паразитных
колебаний на фронтах передаваемых
импульсов, связанных с отражениями, около
33,6 мкс при длине кабеля 1 км.
Поскольку в приемном узле универсальный
трансивер (UART Universal Asynchronous
Receive Transmit) определяет логическое
состояние линии в центре импульса, то
минимальная длительность импульса, который
еще можно распознать с помощью UART,
составляет 33,6 х 2 = 67,2 мкс.

37.

Согласование линии
Для согласования линии используют
терминальные (концевые) резисторы.
Величину резистора выбирают в зависимости
от волнового сопротивления используемого
кабеля.
Для систем промышленной автоматики
используются кабели с волновым
сопротивлением от 100 до 150 Ом, однако
кабели, спроектированные специально для
интерфейса RS-485, имеют волновое
сопротивление 120 Ом.

38.

Согласование линии

39.

Согласование линии
Стандарт RS-485 допускает подключение не
более 32 приемников к одному передатчику.
Эта величина ограничивается мощностью
выходного каскада передатчика при
стандартном входном сопротивлением
приемника 12 кОм.
Количество нагрузок (приемников) может быть
увеличено с помощью более мощных
передатчиков, приемников с большим входным
сопротивлением и промежуточных
ретрансляторов сигнала (повторителей
интерфейса).

40.

Топология сети на основе интерфейса RS-485
Правильная
Неправильная

41.

Рекомендации по организации протокола связи
На физическом уровне линия связи готова к
работе, однако, нужен еще и протокол договоренность между устройствами системы о
формате посылок.
По природе интерфейса RS-485 устройства не
могут передавать одновременно - будет
конфликт передатчиков.
Следовательно, требуется распределить
между устройствами право на передачу.
Отсюда основное деление:
• централизованный (одномастерный) обмен;
• децентрализованный (многомастерный).

42.

Рекомендации по организации протокола связи
В централизованной сети одно устройство
всегда ведущее (мастер).
Оно генерирует запросы и команды
остальным (ведомым) устройствам.
Ведомые устройства могут передавать только
по команде ведущего.
Как правило, обмен между ведомыми идет
только через ведущего, хотя для ускорения
обмена можно организовать передачу данных от
одного ведомого к другому по команде
ведущего.

43.

Рекомендации по организации протокола связи
В децентрализованной сети роль ведущего
может передаваться от устройству к устройству
либо по некоторому алгоритму очередности,
либо по команде текущего ведущего к
следующему (передача маркера ведущего).
При этом ведомое устройство может в своем
ответе ведущему передать запрос на переход в
режим ведущего и ожидать разрешения или
запрета.

44.

Интерфейс RS-422
Интерфейс RS-422 (стандарт EIA/TIA-422)
позволяет одновременно отправлять и
принимать сообщения по отдельным линиям
(полный дуплекс), но использует для этого
дифференциальный сигнал, т.е. разницу
потенциалов между проводниками А и В.
Скорость передачи данных в RS-422 зависит
от расстояния и может меняться в пределах от
10 кбит/с (1200 метров) до 10 Мбит/с (10
метров).
В сети RS-422 может быть только одно
передающее устройство и до 10 принимающих
устройств.

45.

Интерфейс RS-422
Линия RS-422 представляет собой 4 провода
для приема-передачи данных (2 скрученных
провода для передачи и 2 скрученных провода
для приема) и один общий провод земли GND.
Скручивание проводов (витая пара) между
собой позволяет избавиться от наводок и помех,
потому что наводка одинаково действует на оба
провода, а информация извлекается из разности
потенциалов между проводниками А и В одной
линии.
Напряжение на линиях передачи данных
может находится в диапазоне от -6 В до +6 В.

46.

Интерфейс RS-422
Логическому 0 соответствует разница между А
и В больше +0,2 В.
Логической 1 соответствует разница между А
и В меньше -0,2 В.
Стандарт RS-422 не определяет конкретный
тип разъема, обычно это может быть клеммная
колодка или разъем DB9.
Распиновка RS-422 зависит от производителя
устройства и указывается в документации на
него.
Для предотвращения отражения сигнала
ставится резистор 120 Ом "терминатор" между
RX+ и RX- контактами в начале и в конце линии.

47.

Интерфейс RS-422
При подключении устройства RS-422 нужно
сделать перекрестие между RX и TX контактами.

48.

Сравнение интерфейсов RS-232, RS-422 и RS-485
Параметр
Способ передачи
сигнала
Максимальное
количество приемников
Максимальная длина
кабеля
Максимальная скорость
передачи
Синфазное напряжение
на выходе
Напряжение в линии под
нагрузкой
Импеданс нагрузки
Ток утечки в "третьем"
состоянии
Допустимый диапазон
сигналов на входе
приемника
Чувствительность
приемника
Входное сопротивление
приемника
RS-232
Однофазный
RS-422
RS-485
Дифференциальный Дифференциальный
1
10
32
15 м
1200 м
1200 м
460 кбит/с
10 Мбит/с
30 Мбит/с**
± 25 В
-0,25...+6 В
-7...+12 В
±5... ±15 В
±2 В
±1,5 В
3...7 кОм
100 Ом
54 Ом
-
-
±100 мкА
±15 В
±10 В
-7...+12 В
±3В
±200 мВ
±200 мВ
3...7 кОм
4 кОм
12 кОм

49.

Вопросы и задачи для самоконтроля
1. Какой способ передачи заложен в интерфейс
«токовая петля»?
2. Назовите преимущества и недостатки
передачи тока и напряжения.
3. В чем заключается достоинства и недостатки
вариантов использования "4...20 мА" и "0...20
мА"?

50.

Вопросы и задачи для самоконтроля
1. Какие типы интерфейсов передачи данных
используются в сетях RS-422/485? В чем их
отличие?
2. Объясните принцип работы интерфейса RS232.
3. Приведите значения технических параметров
интерфейса RS-232 (скорость обмена,
диапазоны логических «1» и «0»,
максимальная длина и т.д.).

51.

Вопросы и задачи для самоконтроля
5. Приведите структуру передаваемых данных в
RS-232/422/485. Что обозначает сокращение
8N2?
6. В чем заключается принцип
дифференциальной передачи сигнала?
7. Для каких целей используется «третье»
состояние выходных каскадов RS-485?
8. Приведите схемы 2-х и 4-х проводных версий
интерфейса RS-485. Объясните их назначение,
достоинства и недостатки.

52.

Вопросы и задачи для самоконтроля
10.Каким образом осуществляется согласование
линий связи?
11. Приведите правильную и неправильную
топологию сети на основе интерфейса RS-485.
Объясните почему.
12. Какие типы протоколов существуют на основе
интерфейса RS-485? Объясните различия.

53.

Вопросы и задачи для самоконтроля
15. В чем заключается принцип работы
интерфейса RS-422?
16. Сравните основные технические параметры
интерфейсов RS-232, RS-422 и RS-485.

54.

Список литературы
1. Энциклопедия АСУ ТП.
http://www.bookasutp.ru/Chapter2_3.aspx
2. IPC2U. https://ipc2u.ru/articles/prostye-resheniya/otlichiyainterfeysov-rs-232-rs-422-rs-485/#otlichiya

55.

Список литературы
1. Энциклопедия АС ТП.
http://www.bookasutp.ru/Chapter2_3.aspx
2. Компэл. Интерфейс токовой петли.
https://www.compel.ru/lib/ne/2010/5/5interfeysyi-tokovoy-petli
3. "How to use highvoltage and highcurrent-drive
opamps in 4-20 mA current-loop systems",
Maurizio Gavardoni, Maxim Engineering
Journal №68.

56.

Список литературы
4. «Аналоговая токовая петля — решения от
компании Maxim», Анатолий Андрусевич,
«Компоненты и технологии» №8 2009.
5. http://datasheets.maximic.com/en/ds/MAX15500-MAX15501.pdf
6. http://datasheets.maximic.com/en/ds/MAX5661.pdf

57.

Спасибо за внимание!
57