Способы представления информации

При использовании в качестве носителя информации электрических сигналов возможны две её формы:

1) аналоговая – электрический сигнал аналогичен исходному в каждый момент времени, т.е. непрерывен во времени. Температура, давление, скорость изменяются по непрерывному закону – датчики преобразуют эти величины в электрический сигнал, который изменяется по такому же закону (аналогичен). Величины, представленные в такой форме, могут принимать бесконечно много значений в каком-то диапазоне.

2) дискретная - импульсная и цифровая – сигнал представляет собой последовательность импульсов, в которых закодирована информация. При этом кодируются не все значения, а только в конкретные моменты времени – дискретизация сигнала.

Импульсный режим работы - кратковременное воздействие сигнала чередуется с паузой.

По сравнению с непрерывным (аналоговым), импульсный режим работы имеет ряд преимуществ:

- большие значения выходной мощности на такой же объем электронного устройства и более высокий коэффициент полезного действия;

- повышение помехоустойчивости, точности и надежности электронных устройств;

- уменьшение влияния температур и разброса параметров приборов, так как работа осуществляется в двух режимах: «включено» - «выключено»;

- реализация импульсных устройств на однотипных элементах, легко выполняемых методом интегральной технологии (на микросхемах).

На рисунке 1, а представлены способы кодирования непрерывного сигнала прямоугольными импульсами – процесс модуляции.

Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) - амплитуда импульсов пропорциональна входному сигналу.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - ширина импульсов tимп пропорциональна входному сигналу, амплитуда и частота импульсов постоянны.

Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) - входной сигнал определяет частоту следования импульсов, которые имеют постоянную длительность и амплитуду.

Рисунок 1 – а) Способы кодирования непрерывного сигнала прямоугольными импульсами, б) Основные параметры прямоугольных импульсов

Наиболее распространены импульсы прямоугольной формы. На рисунке 1, б приведена периодическая последовательность прямоугольных импульсов и их основные параметры. Импульсы характеризуются следующими параметрами: Um - амплитуда импульса; tимп - длительность импульса; tпаузы - длительность паузы между импульсами; Tп=tи + tп - период повторения импульсов; f=1/Tп - частота повторения импульсов; QH = Tп/tи - скважность импульсов.

Наряду с прямоугольными импульсами в электронной технике широко применяются импульсы пилообразной, экспоненциальной, трапециидальной и другой формы.

Цифровой режим работы - информация передается в виде числа, которому соответствует определенный набор импульсов (цифровой код), при этом существенно только наличие или отсутствие импульса.

Цифровые устройства чаще всего работают только с двумя значениями сигналов – нулём «0» (обычно низкий уровень напряжения или отсутствие импульса) и «1» (обычно высокий уровень напряжения или наличие прямоугольного импульса), т.е. информация представляется в двоичной системе счисления.

Это обусловлено удобством создания, обработки, хранения и передачи сигналов, представленных в двоичной системе: ключ замкнут – разомкнут, транзистор открыт – закрыт, конденсатор заряжен – разряжен, магнитный материал намагничен – размагничен и т.д.

Цифровая информация представляется двумя способами:

1) потенциальным - значениям «0» и «1» соответствуют низкий и высокий уровни напряжения.

2) импульсным - двоичным переменным соответствует наличие или отсутствие электрических импульсов в определённые моменты времени.

 

HART -протокол (Highway Addressable Remote Transducer - " магистральный адресуемый удаленный преобразователь" ) [HART] является открытым стандартом на метод сетевого обмена, который включает в себя не только протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи, поэтому устоявшийся термин " протокол", означающий алгоритм взаимодействия устройств, применен здесь не совсем корректно. Стандарт HART был разработан в 1980 году фирмой Rosemount Inc., которая позже сделала его открытым. В настоящее время стандарт поддерживается международной организацией HART Communication Foundation (HCF), насчитывающей 190 членов (на декабрь 2006 г.). HART находит применение для связи контроллера с датчиками и измерительными преобразователями, электромагнитными клапанами, локальными контроллерами, для связи с искробезопасным оборудованием.

Несмотря на свое низкое быстродействие (1200 бит/с) и ненадежный аналоговый способ передачи данных, а также появление более совершенных сетевых технологий, устройства с HART-протоколом разрабатываются до сих пор и объем этого сегмента рынка продолжает расти. Однако применение HART в России довольно ограничено, поскольку внедрение датчиков с HART-протоколом требует одновременного применения HART-совместимых контроллеров и специализированного программного обеспечения. Типовой областью применение HART являются достаточно дорогие интеллектуальные устройства (электромагнитные клапаны, датчики потока жидкости, радарные уровнемеры и т. п), а также взрывобезопасное оборудование, где низкая мощность HARTсигнала позволяет легко удовлетворить требованиям стандартов на искробезопасные электрические цепи.

Принципы построения

Рис. 2.15. Суммирование аналогового и цифрового сигнала в HART-протоколе

При создании HART-протокола в 1980 году преследовалась цель сделать его совместимым с широко распространенным в то время стандартом " токовая петля", но добавить возможности, необходимые для управления интеллектуальными устройствами. Поэтому аналоговая " токовая петля" 4...20 мА была модернизирована таким образом, что получила возможность полудуплексного цифрового обмена данными. Для этого аналоговый сигнал суммируется с цифровым сигналом (рис. 2.15) и полученная таким образом сумма передается с помощью источника тока 4...20 мА по линии связи. Благодаря сильному различию диапазонов частот аналогового (0...10 Гц) и цифрового (1200 Гц и 2200 Гц) сигналов они легко могут быть разделены фильтрами низких и высоких частот в приемом устройстве. При передаче цифрового двоичного сигнала логическая единица кодируется синусоидальным сигналом с частотой 1200 Гц, ноль - 2200 Гц. При смене частоты фаза колебаний остается непрерывной. Такой способ формирования сигнала называется частотной манипуляцией с непрерывной фазой. Выбор частот соответствует американскому стандарту BELL 202 на телефонные каналы связи.

Принцип взаимодействия устройств на физическом уровне модели OSIпоказан на рис. 2.16. Сопротивление выбирается так же, как и в токовой петле (стандартом предусмотрена величина 230...1100 Ом) и служит для преобразования тока 4...20 мА в напряжение. Акт взаимодействия устройств инициирует контроллер. Цифровой сигнал от источника напряжения через конденсатор подается в линию передачи и принимается на стороне датчика в форме напряжения в диапазоне от 400 до 800 мВ. Приемник датчика воспринимает HART-сигналы в диапазоне от 120 мВ до 2 В, сигналы от 0 до 80 мВ приемником игнорируются. Получив запрос, датчик формирует ответ, который в общем случае может содержать как аналоговый сигнал , так и цифровой ( ). Аналоговый сигнал обычно содержит информацию об измеренной величине, а цифровой - информацию о единицах и диапазоне измерения, о выходе величины за границы динамического диапазона, о типе датчика, имени изготовителя и т. п.). Аналоговый и цифровой сигнал суммируются и подаются в линию связи в форме тока (рис. 2.15, рис. 2.16). На стороне контроллера ток преобразуется в напряжение резистором . Полученный сигнал подается на фильтр нижних частот с частотой среза 10 Гц и на фильтр верхних частот с частотой среза 400...800 Гц. На выходе фильтров выделяются цифровой сигнал и аналоговый . При использовании фильтров второго порядка погрешность, вносимая цифровым сигналом в аналоговый, составляет всего 0, 01% от 20 мА.

Как и в обычной " токовой петле", источник тока в HART-устройстве может иметь внешний или встроенный источник питания.

Рис. 2.16. Принцип работы HART-протокола на физическом уровне

В частном случае HART-протокол может использовать только цифровой сигнал, без аналогового, или только аналоговый сигнал 4...20 мА, без цифрового.

В случае, когда ведомым устройством является не датчик, а исполнительное устройство (например электромагнитный клапан), аналоговый сигнал в форме тока должен передаваться от ведущего устройства к ведомому и источник тока должен находиться в ведущем устройстве (ситуация, обратная показанной на рис. 2.16). Поскольку HART устройства содержат микроконтроллер и МОП-ключи, необходимое для этого переконфигурирование передатчика и приемника выполняется путем подачи соответствующей команды.

HART-устройства всегда содержат микроконтроллер (рис. 2.17) с UART и ППЗУ (перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство). Цифровой сигнал, сформированный микроконтроллером, преобразуется в UARTв непрерывную последовательность бит, состоящую из двоичных слов длиной 11 бит каждое (рис. 2.18-а). Каждое слово начинается со стартового бита (логический ноль), за которым следует байт передаваемых данных, затем бит паритета и стоповый бит. Сформированная таким образом последовательность нулей и единиц передается в модем, выполняющий частотную манипуляцию (ЧМ). Полученный частотно-манипулированный сигнал передается в интерфейсный блок для формирования напряжения, подаваемого в линию связи (напомним, что от контроллера к датчику передается сигнал в форме напряжения, а обратно - в форме тока).

Рис. 2.17. Прохождение аналоговых и цифровых сигналов через устройства с HART-протоколом

 

HART_формат_слова.tif   а)

б)

Рис. 2.18. Структура слова (а) и сообщения (б) в HART-протоколе

На стороне датчика сигнал принимается из линии интерфейсным блоком, преобразуется ЧМ модемом в последовательность битов, из которой контроллер выделяет байты данных и биты паритета. Микроконтроллер проверяет соответствие бита паритета переданному байту для каждого переданного слова, пока не обнаружит признак конца сообщения.

Получив команду, контроллер приступает к ее выполнению. Если пришла команда запроса измеренных данных, контроллер датчика принимает через АЦП сигнал датчика, преобразует его в аналоговую форму с помощью ЦАП, суммирует со служебной информацией на выходе ЧМ модема и передает в линию связи в форме тока 4...20 мА (рис. 2.17).

 

Интерфейсы RS -485 и RS -422 описаны в стандартах ANSI EIA/TIA^*-485-А и EIA/TIA-422. Интерфейс RS-485 является наиболее распространенным в промышленной автоматизации. Его используют промышленные сети Modbus, Profibus DP, ARCNET, BitBus, WorldFip, LON, Interbus и множество нестандартных сетей. Связано это с тем, что по всем основным показателям данный интерфейс является наилучшим из всех возможных при современном уровне развития технологии. Основными его достоинствами являются:

o двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов;

o работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же линии, т. е. возможность организации сети;

o большая длина линии связи;

o достаточно высокая скорость передачи.

 

Формирование сигналов RS-485 и RS-232

 

RS232 - популярный протокол, применяемый для связи компьютеров

 с модемами и другими периферийными устройствами.

RS-232 - интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 20 м. Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5В, для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса.

Назначение RS-232

Интерфейс RS-232-C был разработан для простого применения, однозначно определяемого по его названию " Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду".

В 232 используются два уровня сигналов: логические 1 и 0. Логическую 1 иногда обозначают MARK, логический 0 - SPACE. Логической 1 соответствуют отрицательные уровни напряжения, а логическому 0 - положительные. Соответствующие значения напряжений представлены в таблице.

Уровни сигналов данных

Уровень	Передатчик	Приемник
Логический 0	От +5 В до +15 В	От +3 В до +25 В
Логический 1	от-5 В до -15 В	От -3 В до -25 В
Не определен	От -3 В до +3 В

 

Протокол связи RS-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи. Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Использование повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 узла.

 

Преимущества физического сигнала RS-485 перед сигналом RS-232

Используется однополярный источник питания +5В, который используется для питания большинства электронных приборов и микросхем. Это упрощает конструкцию и облегчает согласование устройств.

Мощность сигнала передатчика RS-485 в 10 раз превосходит мощность сигнала передатчика RS-232. Это позволяет подключать к одному передатчику RS-485 до 32 приёмников и таким образом вести широковещательную передачу данных.

Использование симметричных сигналов, у которой имеется гальваническая развязка с нулевым потенциалом питающей сети. В результате исключено попадание помехи по нулевому проводу питания (как в RS-232). Учитывая возможность работы передатчика на низкоомную нагрузку, становится возможным использовать эффект подавления синфазных помех с помощью свойств " витой пары". Это существенно увеличивает дальность связи. Кроме этого появляется возможность " горячего" подключения прибора к линии связи (хотя это не предусмотрено стандартом RS-485). Заметим что в RS-232 " горячее" подключение прибора обычно приводит к выходу из строя СОМ порта компьютера.

Описание обмена данными по стандарту RS-485:

 

Каждый приёмопередатчик (драйвер) RS-485 может находиться в одном из двух состояний: передача данных или приём данных. Переключение драйвера RS-485 происходит с помощью специального сигнала. Например, на рис.3 показан обмен данными с использованием преобразователя АС3 фирмы Овен. Режим преобразователя переключается сигналом RTS. Если RTS=1 (True) АС3 передает данные, которые поступают к нему от СОМ порта в сеть RS-485. При этом все остальные драйверы должны находиться в режиме приёма (RTS=0). По сути дела RS-485 является двунаправленным буферным мультиплексированным усилителем для сигналов RS-232.

Рис.3 Пример использования преобразователя Овен АС3.

 

RS485

Ситуация когда в одно время будет работать более одного драйвера RS-485 в режиме передатчика приводит к потере данных. Эта ситуация называется " коллизией". Чтобы коллизии не возникали в каналах обмена данными необходимо использовать более высокие протоколы (OSI). Такие как MODBUS, DCON, DH485 и др. Либо программы, которые напрямую работают с RS-232 и решают проблемы коллизий. Обычно эти протоколы называют 485-тыми протоколами. Хотя на самом деле, аппаратной основой всех этих протоколов служит, конечно, RS-232. Он обеспечивает аппаратную обработку всего потока информации. Программную обработку потока данных и решение проблем с коллизиями занимаются протоколы высшего уровня (Modbus и др.) и ПО.

 

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться: