Модели сложных систем. Объекты, описываемые дифференциальными уравнениями.
Билет №5.
Интерфейс rs-485. Модули серии I-7000. Структура системы передачи данных на основе модуля серии I-7000.
RS-485 — полудуплексный многоточечный последовательный интерфейс передачи данных. Передача данных осуществляется по одной паре проводников с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.
В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных часто используется единственная витая пара проводов. Процедуры совместного использования линии передачи требуют применения определённого метода управления направлением потока данных. Наиболее широко распространённым методом является использование сигналов RTS (Request To Send) и CTS (Clear To Send).
Примечание:
Стандарт RS-485 оговаривает только электрические характеристики, физический уровень (среду), но не программную платформу.
Стандарт RS-485 не оговаривает:
возможность объединения несимметричных и симметричных цепей,
параметры качества сигнала, уровень искажений (%),
методы доступа к линии связи,
протокол обмена,
аппаратную конфигурацию (среда обмена, кабель),
типы соединителей, разъёмов, колодок, нумерацию контактов,
качество источника питания (стабилизация, пульсация, допуск),
отражённость, уровень сигнала (reflect).
Электрические и временные характеристики интерфейса RS-485
32 приёмопередатчика при многоточечной конфигурации сети (на одном сегменте, максимальная длина линии в пределах одного сегмента сети: 1200 метров).
Только один передатчик активный.
Максимальное количество узлов в сети — 250 с учётом магистральных усилителей.
Характеристика скорость обмена/длина линии связи (зависимость экспоненциальная):
62,5 кбит/с 1200 м (одна витая пара)
375 кбит/с 300 м (одна витая пара)
500 кбит/с
1000 кбит/с
2400 кбит/с 100 м (две витых пары)
10000 кбит/с 10 м
Примечание: Скорости обмена 62,5 кбит/с, 375 кбит/с, 2400 кбит/с оговорены стандартом RS-485. На скоростях обмена свыше 500 кбит/с рекомендуется использовать экранированные витые пары.
Тип приёмопередатчиков — дифференциальный, потенциальный. Изменение входных и выходных напряжений на линиях A и B: Ua (Ub) от −7В до +12В (+7В).
Требования, предъявляемые к выходному каскаду: — выходной каскад представляет собой источник напряжения с малым выходным сопротивлением, |Uвых|=1,5:5,0В (не <1,5В и не >6,0В);
состояние логической «1»: Ua больше Ub (гистерезис 200мВ) — MARK, OFF;
состояние логического «0»: Ua меньше Ub (гистерезис 200мВ) — SPACE, ON;
выходной каскад должен выдерживать режим короткого замыкания, иметь максимальный выходной ток
250мА, скорость нарастания выходного сигнала 1,2В/мкс и схему ограничения выходной мощности.
Требования, предъявляемые к входному каскаду: — входной каскад представляет собой дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и пороговой характеристикой от −200мВ до +200мВ;
допустимый диапазон входных напряжений Uag (Ubg) относительно земли (GND) от −7В до +12В;
входной сигнал представлен дифференциальным напряжением (Ui+0,2В) и более;
уровни состояния приёмника входного каскада — см. состояния передатчика выходного каскада.
Интерфейс RS-485 (другое название - EIA/TIA-485) - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Физический уровень - это канал связи и способ передачи сигнала (1 уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI).
Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) - его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" - отрицательна.
Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего ("земли"). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель - дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.
Аппаратная реализация интерфейса - микросхемы приемопередатчиков с дифференциальными входами/выходами (к линии) и цифровыми портами (к портам UART контроллера). Существуют два варианта такого интерфейса: RS-422 и RS-485.
Особенность модулей преобразователей серии I-7000 состоит в том, что они имеют гальваническую связь между линиями питания внешнего источника и линиями одного из интерфейсов.
Серия I_7000 включает устройства преобразователей и повторителей
интерфейсов RS_232/USB в RS_422 и RS_485 с гальванической развязкой 3000В и
диапазоном рабочих температур _20..+70°С. Преобразователи имеют встроенную
систему самонастройки для автоматического выбора максимально возможной
скорости работы и автоматического выбора формата данных.
Питание преобразователей осуществляется постоянным напряжением 10..30 В
со стороны интерфейсного канала, а для модификаций "R" _ со стороны хост_
компьютера. Модели преобразователей ISA_7520R, PCI_7520AR и PCISA_7520R
выполнены в виде плат, устанавливаемых в слот ISA или PCI и поэтому не требуют
питания, при этом эти модели не являются расширителями СОМ портов.
Максимальная скорость обмена в сети, образуемой преобразователями этой
серии _300…115200 Бод для дальности 1200 м. Увеличение дальности возможно как
при использовании повторителей, при этом скорость не уменьшается, так и при
снижении скорости обмена _ дальность может быть увеличена до 3.6 км (2400 Бод).
Схемотехника модулей позволяет строить сети без повторителей с числом узлов до 256.
Каждый модуль серии I-7000 - это функционально законченное устройство, размещенное в пластиковом корпусе из негорючей пластмассы. На корпусе расположены необходимые разъемы и клеммные соединители для винтовой фиксации внешних входных и выходных цепей. Установка модулей не требует специальных объединительных плат и может осуществляться как на стандартную несущую 35-миллиметровую DIN-рейку, так и на любую плоскую панель или стену. Модули могут объединяться в сети на основе интерфейса RS-485. К одному последовательному порту компьютера или контроллера может быть подключено до 256 модулей, территориально расположенных в разных местах.
I-7000 : устройства удаленного и распределенного сбора данных и управления
Общие технические характеристики модулей серии I-7000:
модули объединяются в асинхронную полудуплексную двухпроводную сеть по стандарту RS-485,
максимальная длина сегмента сети без репитера (усилителя-повторителя) - до1'200 метров,
скорость передачи данных = 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бод,
возможность объединения до 256 модулей в один сегмент без репитера (усилителя-повторителя),
различные скорости и форматы передачи данных в одном сегменте сети, до 2048=256x8 модулей в системе,
формат данных = 10 бит=(1start+8data+1stop),
протокол передачи данных: ASCII символы,
возможность контроля четности при передаче данных,
встроенный фильтр помех,
напряжение изоляции входных и выходных цепей не менее 3000В,
питание от источника нестабилизированного постоянного тока напряжением от +10В до +30В,
защита по цепям питания от переполюсовки полярности подключения питания,
работоспособность в широком диапазоне температур от -200С до +750С.
Схема взаимодействия основной вычислительной системы (для простоты изложения HOST-компьютер) с модулями, объединенными в одну сеть на основе RS-485, довольна проста. При этом порядок работы выглядит следующим образом:
HOST-компьютер по адресу, уникального для каждого модуля, передает запрос на ввод данных в виде команды, представляющей набор ASCII-кодов, т.е. выводит в последовательный порт строку символов;
При получении команды модуль производит ее идентификацию и проверку контрольной суммы посылки на четность, после чего посылает в адрес HOST-компьютера запрашиваемую информацию также в виде строки символов;
HOST-компьютер принимает и анализирует эти входные данные, после чего они могут быть обработаны в соответствии с необходимыми для управления всей системой алгоритмами.
При построении сети на основе интерфейса RS-485 следует учитывать то обстоятельство, что лишь одно из устройств в ней может быть ведущим (Master), а остальные – ведомыми (Slave). Настройка и калибровка модулей осуществляется программным способом. Параметры конфигурации, такие как адрес, скорость обмена по последовательному каналу связи, наличие проверки контрольной суммы команды, диапазон изменения входных и выходных сигналов и их размерность, вид представления измеренных значений и некоторые другие параметры сохраняются во встроенном электрически перепрограммируемом ПЗУ.