2.3. Среда интерфейса
Центральные и периферийные устройства могут располагаться на значительных расстояниях друг от друга. При этом оказывается, что предельно допустимая скорость передачи данных V, при которой обеспечивается надлежащий уровень достоверности принимаемых данных, зависит от длины линии L. Эта зависимость показана в виде семейства кривых на рис.2.10.
Рис 2.10. Зависимость скорости передачи от длины линии.
Каждое конкретное положение кривой зависит от среды интерфейса, т.е. физических принципов передачи сигналов (электрический или оптический), типа кабеля (коаксиальный, плоский, скрученная пара (витая пара) и т.п.) или световода (оптоволоконного кабеля), характеристик приемопередатчиков или преобразователей сигналов, наличия шумов и помех. При малых длинах линий (участок 1) максимально допустимая скорость передачи в основном определяется задержками сигналов в приемопередающих и преобразующих устройствах. Для средних длин линий (участок кривых 2) характерно падение скорости пропорционально увеличению длины линии вследствие увеличения емкостной нагрузки на передатчик, роста амплитуды помех от воздействия сигналов, проходящих по соседним линиям, уменьшения амплитуды полезного сигнала из-за увеличения сопротивления линии или увеличения затухания из-за потерь света в оптоволокне. При некоторой критической длине (участок 3), конкретное значение которой зависит от типа линии и способа передачи сигналов, уровень помех становится соизмеримым с уровнем полезного сигнала на входе приемников, что делает невозможным надежное выделение сигнала независимо от скорости передачи данных по линии.
Передача по однонаправленной линии. Передача сигналов по однонаправленной однопроводной электрической линии иллюстрируется схемой на рис.2.11,а.
Рис. 2.11. Передача по однопроводной однонаправленной электрической линии.
Влияние от соседних сигналов и помех отражается эквивалентным генератором Еп. Кроме того, при значительных длинах линии L, а также при использовании приемником ПРМ и передатчиком ПРД различных источников питания между точками «земля» передатчика (а) и «земля» приемника (б) соответственно возможно наличие значительной разности потенциалов Uab. Очевидно, что для правильного выделения сигнала в приемнике ПРМ при наличии помех на линии должны выполняться следующие условия:
Uпрд(1) = Uпрм (1) - (Eп + Uав),
Uпрд(0) = Uпрм (0) + (Eп + Uав).
При этом между уровнями логической единицы Uпрм(1) и логического нуля Uпрм(0) приемника должна быть обеспечена разность потенциалов Uдоп зоны перехода, которая достаточна для надежного и правильного распознавания значения сигнала приемником, т.е.
Uпрм(1) - Uпрм (0) > Uдоп
На рис.2.11,6 в качестве примера показано уменьшение зоны перехода ТТЛ-приемника (0,8-2,0)В по сравнению с зоной перехода ТТЛ-передатчика (0,4 — 2,4)В на 0,8В, тем самым ограничен допустимый уровень помех величиной 0,4 В. Дальнейшее уменьшение зоны перехода недопустимо из-за увеличения вероятности неправильного распознавания «0» и «1».
Можно улучшить условия приема, увеличив зону перехода в передатчике, для этого передатчик и приемник должны осуществлять преобразование уровней сигналов. На рис.2.12 показаны уровни передачи и приема, устанавливаемые рекомендациями МККТТ V.28 (используется в интерфейсе RS-232C). За счет преобразования уровней передача данных по линии может осуществляться в условиях больших помех.
Рис. 2.12. Уровни передачи и приема по рекомендации МККТТ V28.
Передача сигналов по двухпроводной электрической линии позволяет исключить появление разных потециалов «земли» передатчика и приемника, а также значительно ослабить влияние помех. Двухпроводная линия связи выполняется обычно либо в виде витой пары, либо в виде смежных параллельных проводников плоского кабеля. Возможна передача сигналов по двухпроводной линии с использованием одноканального усилителя-передатчика и дифференциального усилителя-приемника (рис.2.13,а) или балансного усилителя в передатчике и дифференциального усилителя в приемнике (рис.2.13,б).
Рис.2.13. Двупроводные однонаправленные электрические линии.
В схеме, приведенной на рис. 2.13, а, на вход усилителя-приемника подаются потенциалы U1 = Uпрд + Eп и U2 = Eп (так как проводники линии расположены близко друг к другу, то действие помех на них можно считать одинаковым). Дифференциальный сигнал на входе приемника Uпрм = U1 — U2= Ппрд , т.е. свободен от влияния помех. Такая схема позволяет повысить скорость передачи данных по сравнению с однопроводной. Однако и здесь при увеличении длины линии сигналы на входе приемника уменьшаются, а их фронты — растягиваются. Кроме того, разность потенциалов между точками а и б (Uab) не должна превышать допустимого для данного типа усилителя значения.
От последнего недостатка свободна схема (рис.2.13,6), использующая балансный усилитель-передатчик, формирующий на выходах (а) и (б) напряжения Ua и Uб:
— при передаче нуля
Ua (0) = -Uпрд ; Uб (0) = +Uпрд ,
—при передаче единицы
Ua (1) = +Uпрд; U, (1) = -Uпрд .
Преимуществом данной схемы является то, что напряжение дифференциального сигнала, поступающее на вход приемника, по существу в два раза выше, чем в предыдущей схеме. Это позволяет допускать большие ослабления сигнала по линии, т.е. обеспечивать передачу на большее расстояние. Кроме того, потенциалы на выходах передатчика (+Uпрд; и -Uпрд) вызывают противоположные токи в проводах линии, что ослабляет результирующее электромагнитное поле этой линии, приводящее к помехам в других близлежащих линиях. Следовательно, такую среду можно использовать при параллельной передаче; отметим также, что влияние различных потенциалов земли передатчика и приемника при этом устраняется.
Весьма распространенным способом последовательной передачи данных остается способ «токовой петли 20 мА», который заимствован из телеграфии. Обычно этот способ подключения применяют для медленных электромеханических устройств, например, клавиатуры, ПчУ и т.п.
Два устройства (ПРД и ПРМ) соединяются двухпроводной линией, образующей замкнутую электрическую цепь. В передатчике размещается ключ (К), который может размыкать цепь, а в приемнике — детектор тока (ДТ), определяющий наличие или отсутствие тока в цепи. Кроме того, в эту цепь включается источник питания Е и токоограничивающий резистор Ro. Источник питания Е и резистор Ro могут располагаться как в передатчике (в этом случае передатчик называют активным, а приемник — пассивным), так и в приемнике (приемник активный, а передатчик пассивный). На рис.2.14 приведена схема «токовой петли» с активным приемником. Резистор Ro служит для получения стандартной величины тока 20 мА. В качестве ДТ может использоваться электромагнитное реле или какое-либо электронное устройство (например оптрон); вместо резистора Ro может использоваться электронный ограничитель тока; ключ К также может быть электронным. Из-за опасности повреждения электронных схем обычно величину Е устанавливают менее 40 В. Токовая петля обеспечивает только симплексную передачу и используется при последовательной передаче данных на значительное расстояние (до 2 км) при малых скоростях.
Рис. 2.14. Токовая петля 20 мА. Рис. 2.15. Двунаправленная линия.
Передача по двунаправленной линии. Выходы обычных ТТЛ-схем не должны объединяться, поэтому такие схемы не используются для подключения к одной магистрали нескольких устройств, каждое из которых может служить передатчиком.
На рис.2.15 приведена схема подключения устройств к двунаправленной линии посредством элементов с открытым коллектором. Коллекторы выходных каскадов подключаются к линии, которая заканчивается резистором оконечной нагрузки R (заглушкой). Такое подключение можно рассматривать как схему «проводного (монтажного) И» для положительной логики или «проводного ИЛИ» для отрицательной логики. Недостатки такого подключения заключаются в сравнительно малой скорости переключения и подверженности помехам.
Для подключения устройств к магистрали более широкое распространение получили схемы с тремя состояниями (рис. 2.16).
Рис.2.16. Схема с тремя состояниями.
Обычно к ТТЛ-схеме добавляется вход, позволяющий закрыть оба выходных транзистора Т1 и Т2, тем самым перевести схему в состояние высокого выходного сопротивления, в котором она не оказывает влияния на сигналы, передаваемые по линии. При высоком потенциале на входе «вкл/откл» за счет диодов Д1 и Д2 значение выходного сигнала определяется сигналом на логическом входе (1/0). Появление низкого потенциала на входе «вкл/откл» приводит к тому, что оба транзистора Т1 и Т2 запираются, т.е. схема переводится в третье состояние. Схемы с тремя состояниями пригодны для управления теми линиями, на которые в каждый момент времени выдается сигнал только от одного устройства. Они могут быть использованы для линий передачи адресов, данных и большинства линий управления. Однако подключение линий, на которые сигналы могут поступать одновременно от нескольких устройств, например от линий запросов, должно осуществляться посредством схем с открытым коллектором.
Передача по оптоволоконным линиям. Оптоволоконные линии являются однонаправленными, обладают меньшей массой, меньшей подверженностью помехам и обеспечивают электрическую «развязку» передатчика и приемника. Подлежащие передаче электрические сигналы подаются на усилитель ПРД, нагрузкой которого является светодиод или полупроводниковый лазер, формирующий импульсы света, если на вход усилителя поступает логическая «1». Световой поток светодиода через оптическую систему подается в оптоволоконную линию и по ней — на фотоприемник ретранслятора, где импульс света преобразуется в электрический импульс, усиливается и вновь подается на светодиод и затем в оптоволоконную линию. Таким путем импульс света достигает приемника ПРМ, где он также преобразуется в электрический сигнал и используется электронными схемами.
Преобразование электрического сигнала в световой, а затем снова в электрический позволяет устранить влияние помех, возникающих в цепях питания; кроме того, между точками «земля» передатчика и «земля» приемника может возникать значительная разность потенциалов. Поэтому такие преобразования часто используют даже без оптоволоконной линии связи для подключения к ЭВМ периферийного оборудования, работающего в тяжелых условиях, например, датчиков и исполнительных устройств технологического оборудования, станков с числовым программным управлением. Элемент, осуществляющий такое преобразование и включающий в себя светодиод и фототранзистор, называется оптроном.