Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Моделирование устройств интерфейсов в среде Proteus. Практикум
.pdf
Микросхемы драйверов имеют малые габаритные размеры. Наиболее часто
используются микросхемы, выполненные в корпусе DIP8 со стандартным
расположением выводов, ставшим, промышленным стандартом. Микросхемы
драйверов используют всего несколько дискретных элементов для цепей защиты,
использование которых не является обязательным. Малые габаритные размеры
микросхем драйверов и минимальное количество обвязки экономит площадь
печатной платы, что также положительно сказывается на стоимости системы;
Современные микросхемы имеют достаточно низкое энергопотребление, многие из
них при отсутствии активности в сети автоматически переходят в режим экономии,
что снижает энергопотребление системы;
Современные микросхемы драйверов имеют повышенную нагрузочную
способность. Если ранее большинство микросхем было рассчитано на работу с 32
станциями, то современные модели обеспечивают нормальное функционирование
до 256 станций;
В настоящее время выпускаются микросхемы с высокой предельной скоростью
передачи. Это позволяет создавать высокоскоростные сети, и снижает количество
ошибок в сети за счет улучшения формы передаваемого сигнала;
Драйверы интерфейса RS485 имеют достаточно простое управление. Особенности
организации сетей, их схемотехника, способы управления доступом к каналу и
примеры программирования достаточно хорошо описаны.
Микросхемы интерфейса RS485 выпускают многие фирмы мира. Однако
несомненным лидером в разработке и выпуске новых микросхем драйверов является
известная фирма Maxim Integrated. В настоящее время фирма выпускает более 80 типов
микросхем драйверов интерфейса RS485/422.
Все микросхемы драйверов можно условно разделить на следующие группы:
микросхемы с питанием +5 В, микросхемы с расширенным диапазоном питания от 3 до
5.5 В, низковольтные микросхемы с питанием 3.3 В и микросхемы со встроенной
оптической изоляцией.
Одними из первых начали производиться микросхемы MAX481/483/485/487. Затем
к семейству добавилась микросхема MAX1487, а позже появились цепи защиты от
электростатики (до ±15 кВ) и к обозначению микросхем была добавлена буква «E».
Микросхемы позволяют объединять в сеть до 32 устройств (за исключением драйвера
MAX487, который может объединять до 128 станций) и обеспечивают не очень высокую
скорость передачи данных с точки зрения современных требований. Однако именно они и
их аналоги легли в основу стандартного расположения выводов микросхем интерфейса
RS-485. Расположение выводов микросхем, внешний вид в корпусе DIP8 и условное
графическое обозначение в среде Proteus показаны на рисунке.
11
Обозначения выводов микросхем MAX481/483/485/487/1487:
RO — Receiver Output — Выход приемника.
RE| — Receiver Output Enable — Разрешение выхода приемника при RE|=0. При RE|=1
выход RO находится в высокоимпедансном состоянии.
DE — Driver Output Enable — Разрешение выходов передатчика. Если DE=1 выходы
активны, в противном случае они находятся в высокоимпедансном состоянии.
DI — Driver Input — Вход передатчика.
GND — Ground — Общий провод питания.
A — Noninverting Receiver Input and Driver Output — Неинвертирующий вход/выход.
B — Inverting Receiver Input and Driver Output — Инвертирующий вход/выход.
VCC — Positive Supply — Напряжение питания.
Семейство микросхем MAX3082/3085/3088 по выводам полностью совместимо со
стандартным семейством MAX481/483/485/487/1487 и отличается повышенными
нагрузочной способностью (до 256 станций) и быстродействием: 500 кб/с для
MAX3085(E) и 10 Mб/с для MAX3088(E).
Семейство микросхем MAX3463/3464 отличается еще более высоким
быстродействием до 20 Mб/с, наличием режима экономии при выключении приемника и
передатчика с током потребления менее 1 мкА, защитой от короткого замыкания и
неправильного подключения линий «A» и «B», совместимостью с промышленным
стандартом Profibus.
Специально для систем со сверхмалым энергопотреблением разработана
микросхема MAX1483. Представляет также интерес микросхема MAX3443E,
предназначенная для работы в сетях с повышенным уровнем помех.
Семейство микросхем MAX3483(E)/3485(E)/3486(E) относится к группе, которая
использует питание 3.3 В.
Группа микросхем со встроенной оптической изоляцией содержит четыре
семейства микросхем и имеет свои особенности. Все микросхемы этой группы
выпускаются в достаточно больших корпусах, имеют достаточно большое потребление,
нуждаются в значительном количестве внешних элементов обвязки, имеют не очень
большое быстродействие и высокую стоимость.
Для согласования линии интерфейса RS-485 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. На такое же
сопротивление обычно рассчитаны микросхемы трансиверов интерфейса RS-485.
Поэтому сопротивление терминального резистора выбирается равным 120 Ом с
мощностью рассеяния 0,25 Вт.
12
Резисторы ставят на двух противоположных концах кабеля. Распространенной
ошибкой является установка резистора на входе каждого приемника, подключенного к
линии, или на конце каждого отвода от линии, что перегружает стандартный передатчик.
Дело в том, что два терминальных резистора в сумме дают 60 Ом и потребляют ток 25 мА
при напряжении на выходе передатчика 1,5В. Кроме этого, 32 приемника со
стандартным входным током 1 мА потребляют от линии 32 мА, при этом общее
потребление тока от передатчика составляет 57 мА. Обычно это значение близко к
максимально допустимому току нагрузки стандартного передатчика RS-485. Поэтому
нагрузка передатчика дополнительными резисторами может привести к его отключению
средствами встроенной автоматической защиты от перегрузки.
Второй причиной, которая запрещает использование резистора в любом месте,
кроме концов линии, является отражение сигнала от места расположения резистора.
При расчете сопротивления согласующего резистора нужно учитывать общее
сопротивление всех нагрузок на конце линии. Например, если к концу линии подключен
шкаф комплектной автоматики, в котором расположены 30 модулей с портом RS-485,
каждый из которых имеет входное сопротивление 12 кОм, то общее сопротивление всех
модулей будет равно 12 кОм/30 = 400 Ом. Поэтому для получения сопротивления
нагрузки линии 120 Ом сопротивление терминального резистора должно быть равно 171
Ом.
2. Порядок выполнения занятия
1. Ознакомиться с изложенным выше кратким описанием элементной базы
интерфейса RS-485.
2. Изучить работу передатчика микросхемы MAX487, для чего создать средствами
программы ISIS Proteus следующую принципиальную электрическую схему:
3. С помощью виртуального осциллографа исследовать форму и параметры
сигналов на линиях «А» и «В». Манипулируя кнопками лицевой панели осциллографа во
время симуляции, имитировать осциллографом работу приемника с дифференциальным и
синфазным сигналами. Во всех случаях частоту прямоугольных импульсов виртуального
генератора установить 9,6 кГц при амплитуде 5В.
4. Оценить время задержки приемника микросхемы MAX487, для чего создать
средствами программы ISIS Proteus следующую принципиальную электрическую схему:
13
Частоту прямоугольных импульсов виртуального генератора установить 100 кГц
при амплитуде 5В.
5. Исследовать модель двухпроводной версии интерфейса RS-485, для чего создать
средствами программы ISIS Proteus следующую принципиальную электрическую схему:
Для цифровых генераторов источников сигналов выбрать тип Clock и установить
частоту 1 кГц для Data1_Tx и 2 кГц для Data2_Tx. В качестве переключателей SW1, SW2
использовать интерактивные ключи SW-SPDT. Манипулируя ключами, получить
осциллограмы полудуплексного режима работы интерфейса.
6. Повторить исследования предыдущего пункта, заменив виртуальный
осциллограф на цифровой графопостроитель DIGITAL. Конечное время моделирования
установить равным 10 мс.
14
7. Оформить протокол и ознакомиться с контрольными вопросами.
3. Содержание отчета
1. Название и цель занятия.
2. Скриншоты схем, исследованных в работе.
3. Скриншоты графиков сигналов, полученных виртуальным осциллографом и цифровым
графопостроителем.
4. Основные выводы по выполненному заданию.
4. Контрольные вопросы
1 . В каких промышленных сетях используется интерфейс RS-485?
2 . Какие преимущества определяет элементная база интерфейса RS-485?
3. Сколько станций позволяют подключать современные микросхемы драйверов?
4 . На какие группы можно условно разделить микросхемы драйверов?
5 . Охарактеризуйте микросхемы семейства MAX481/483/485/487.
6 . Как обозначаются выводы микросхем семейства MAX481/483/485/487?
7 . Что характерно для микросхем семейства MAX3483(E)/3485(E)/3486(E)?
8 . Чем отличаются микросхемы со встроенной оптической изоляцией?
9 . Как рассчитываются сопротивления терминальных резисторов?
10. Какие причины определяют места установки терминальных резисторов?
Практическое занятие №3
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕРТЕРА УРОВНЕЙ
СИГНАЛОВ ТТЛ/RS-232
Цель занятия: Изучение элементной базы интерфейса RS-232 и приобретение
навыков моделирования конвертера уровней сигналов ТТЛ/RS-232 в
среде Proteus.
1. Элементная база интерфейса RS-232
В основе всех промышленных сетей лежит последовательный интерфейс. По
режиму обмена информацией (например, между микроконтроллерами) интерфейсы
подразделяют на симплексные, полудуплексные, дуплексные и мультиплексные:
15
Одним из первых последовательных интерфейсов, предназначенным для работы в
дуплексном режиме, был RS-232. Разработанный еще в 1969 году этот интерфейс до сих
пор не утратил своего значения. Поразительная «живучесть» интерфейса объясняется в
относительно высокой его сбалансированности и универсальности. В интерфейсе RS-232
удачно сочетаются средняя скорость обмена, среднее расстояние линии связи, средняя
простота программирования, средняя надежность обмена информации и т. п. Именно
поэтому интерфейсом RS-232 продолжают оснащать современные промышленные
компьютеры, ПЛК и микроконтроллеры. Помимо всего прочего, интерфейс RS-232
является на настоящий момент едва ли не единственным средством связи между
компьютером и микроконтроллером (если, конечно, не принимать во внимание
выпущенные в последнее время микроконтроллеры с интерфейсом USB). Учитывая это,
такие ведущие фирмы-производители микроконтроллеров, как Analog Devices, Texas
Instruments, Atmel, Philips и др. стали выпускать микроконтроллеры, которые обладают
свойством «программирования-в-системе» (In-System-Programming — ISP) по интерфейсу
RS-232.
Последовательный интерфейс RS-232 синхронной и асинхронной передачи данных
описывает несимметричные передатчики и приемники — сигнал передается относительно
общего провода — схемной земли. Интерфейс не обеспечивает гальванической
развязки устройств. Логической единице на входе данных (сигнал RxD) соответствует
диапазон напряжения от –12 до –3 В, а логическому нулю — от +3 до +12 В. Для входов
управляющих сигналов состоянию ON (“включено”) соответствует диапазон от +3 до
+12 В, состоянию OFF (“выключено”) — от –12 до –3 В. Диапазон от –3 до +3 В — зона
нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет
считаться измененным только после пересечения порога как это показано на рисунке.
Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах от –12 до –5 В и от
+5 до +12 В. Разность потенциалов между схемными землями (SG) соединяемых
устройств должна быть менее 2 В, при более высокой разности потенциалов возможно
неверное восприятие сигналов. Максимальная скорость передачи данных для RS-232C
составляет от 120 до 250 кбит/с. Максимальное расстояние – 20 м.
Стандарт RS-232 подразумевает наличие оборудования двух видов:
терминального (DTE) и связного (DСЕ). В качестве терминального оборудования может
быть использован персональный компьютер, способный производить прием или передачу
данных по последовательному интерфейсу. Под связным оборудованием понимаются
16
устройства, которые могут упростить последовательную передачу данных совместно
с терминальным оборудованием. Наглядным примером связного оборудования служит
модем.
Многие фирмы в мире выпускают широкую номенклатуру микросхем,
предназначенных для преобразования ТТЛ/КМОП уровней сигналов в уровни RS-232 и
обратно. Большинство из них имеют встроенный преобразователь напряжения, что
позволяет использовать только питание +5В. Различные типы микросхем, помимо прочих
признаков, отличаются количеством и номиналом требуемых навесных конденсаторов. В
составе некоторых микросхем имеются цепи позволяющие использовать внешние
источники питания с напряжением от 7,5 до 13 В, без использования дополнительных
конденсаторов. Разнообразие предложений определяется широким спектром параметров и
эксплуатационных свойств.
Своего рода промышленным стандартом является микросхема MAX232, выпускаемая
известной фирмой Maxim Integrated. Многие разработчики используют ее, несмотря на то,
что параметры микросхем с однополярным питанием со
временем значительно улучшились.
Расположение выводов микросхемы, внешний вид в
корпусе DIL16 и условное графическое обозначение в среде
Proteus показаны на рисунке.
Обозначения выводов микросхемы MAX232:
C1+, C1- – Подключение внешнего конденсатора удвоителя напряжения.
V+, V- – Выходные напряжения удвоителя и инвертора.
C2+, C2- – Подключение внешнего конденсатора инвертора напряжения.
R1
T1
OUT
OUT
, R2
, T2
— Receiver Output — Выходы приемников.
OUT
– Transmiter Output — Выходы передатчиков.
OUT
R1IN , R2IN — Receiver Input — Входы приемников.
T1
OUT
, T2
– Transmiter Input — Входы передатчиков.
OUT
GND — Ground — Общий провод питания.
VCC — Positive Supply — Напряжение питания.
Семейство микросхем MAX220-MAX249 линейных приемо-передатчиков
предназначены для интерфейсов EIA/TIA-232E и V.28/V.24, особенно в устройствах, где
отсутствуют напряжения ±12В. Альтернативная микросхема ICL232. Модификация
MAX232A обратно совместима с MAX232, но может работать на более высоких
скоростях, и использовать внешние конденсаторы меньшей ёмкости — 0.1 мкФ вместо
конденсаторов 1.0 мкФ, используемых оригинальной схемой. Микросхема MAX232CPE+
17
отличается от MAX232CPE новой экологичной безсвинцовой технологией производства
(Pb free).
Микросхема MAX1406 отличается высокой скоростью работы (до 230 кбит/с) [2],
отсутствием преобразователей напряжения, наличием трех приемопередатчиков и
пониженным потреблением энергии. Микросхема передатчика RS-232 MAX3190
отличается еще более высокой скоростью работы (до 460 кбит/с), уникально малым
корпусом SOT23-6 размером 3х3 мм и наличием «спящего» режима. Столь же малые
микросхемы приемников MAX3181 и MAX3183 работают на сверхвысокой скорости для
интерфейса RS-232 до 1,5 Мбит/с. Последняя модификация — MAX3232 — обратно
совместима с предыдущими, но работает в диапазоне напряжений от 3 до 5,5В.
Из множества аналогов следует выделить микросхемы ADM231L, ADM3202 от
Analog Devices и SN75155 от Texas Instruments.
Помимо специализированных микросхем преобразователей интерфейса RS-232,
существуют электронные компоненты, строго говоря, не являющиеся таковыми, но
которые можно использовать в качестве преобразователей. К ним можно отнести МОПтранзисторы с изолированным затвором p- и n-типа проводимости канала (например,
BS250, 2N7000G и др.), которые с успехом могут служить приемниками RS-232, т.к. их
затвор (Uзи=±20 В) без каких-либо дополнительных
резисторов может непосредственно контактировать с
выходными линиями RS-232. Выполнять функции
приемника и передатчика интерфейса RS-232 может
также микросхема коммутатора DG419 фирмы
Maxim Integrated.
Интерфейс RS-232 часто используется для передачи данных с последовательного
COM-порта компьютера во внешнее устройство для его программирования, отладки или
управления исполнительными
устройствами. В такой простой системе
управления, например,
микроконтроллер, получает данные от
программы, работающей под
управлением какой-либо операционной
системы, и выполняет соответствующий
алгоритм обработки этих данных. Для
согласования уровней сигналов COM-
порта (формат RS-232) и
микроконтроллера (формат ТТЛ)
применяются конвертеры уровней сигналов ТТЛ/ RS-232.
2. Порядок выполнения задания
1. Ознакомиться с изложенным выше кратким описанием элементной базы
интерфейса RS-232.
2. Изучить работу передатчика микросхемы MAX232 (конвертера уровней
сигналов ТТЛ/ RS-232), для чего создать средствами программы ISIS Proteus следующую
принципиальную электрическую схему:
18
3. С помощью виртуального осциллографа исследовать параметры сигналов на
линиях T1IN и T1OUT, установив частоту прямоугольных импульсов виртуального
генератора 9,6 кГц при амплитуде 5В. Оценить напряжения встроенного преобразователя
напряжений микросхемы MAX232.
4. Изучить работу конвертера уровней сигналов ТТЛ/ RS-232/ ТТЛ, для чего
создать средствами программы ISIS Proteus следующую принципиальную электрическую
схему:
5. С помощью виртуального осциллографа исследовать параметры сигналов на
входе IN и выходе D коммутатора DG419, выполняющего функции передатчика, и на
выходе приемника, реализованного на МОП-транзисторе 2N7000G. Частоту
прямоугольных импульсов виртуального генератора амплитудой 5В установить 9,6 кГц.
6. Повторить исследования предыдущего пункта, заменив приемник на
транзисторе Q1 второй схемой на коммутаторе DG419.
7. Исследовать модель физического уровня интерфейса RS-232C (нуль-модемное
соединение), для чего создать средствами программы ISIS Proteus следующую
принципиальную электрическую схему:
19
8. С помощью виртуального осциллографа исследовать параметры сигналов на
линиях T1IN и R1OUT дуплексного режима работы интерфейса, установив частоту
прямоугольных импульсов виртуальных генераторов 9,6 кГц и 96 кГц при амплитуде 5В.
9. Повторить исследования предыдущего пункта, заменив виртуальные приборы на
цифровые генераторы источников сигналов Data1_IN (9,6 кГц), Data2_IN (96 кГц) и
цифровой графопостроитель DIGITAL. Конечное время моделирования установить
равным 300 мкс.
10. Оформить протокол и ознакомиться с контрольными вопросами.
3. Содержание отчета
1. Название и цель занятия.
2. Скриншоты схем, исследованных в работе.
3. Скриншоты графиков сигналов, полученных виртуальным осциллографом и цифровым
графопостроителем.
4. Основные выводы по выполненному заданию.
4. Контрольные вопросы
1 . Какой тип интерфейса лежит в основе всех промышленных сетей?
2 . Как подразделяются последовательные интерфейсы по режиму обмена информацией?
3. Чем объясняется многолетняя популярность интерфейса RS-232?
4 . Где преимущественно применяется интерфейс RS-232?
5 . Охарактеризуйте микросхемы семейства MAX220-МАХ249 и их современные типы.
6 . Как обозначаются выводы микросхемы MAX232?
7 . Перечислите основные характеристики интерфейса RS-232.
8 . Наличие какого оборудования подразумевает стандарт RS-232?
9. Какие электронные компоненты могут выполнять функции конвертера уровней
сигналов ТТЛ/RS-232?
10. Какие функции выполняет встроенный преобразователь напряжения микросхемы
MAX232?
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]