5. Последовательные цифровые каналы связи.

Как указывалось выше, в последовательных каналах передача информации от источника к приемнику осуществляется по одной сигнальной линии, при этом биты информации выдаются в линию последовательно в виде сигналов, значение которых соответствует значению бита в передаваемой дискрете. Если, например, требуется передать дискрету информации в виде одного байта со значениями разрядов: 10110011, то этот параллельный код с помощью специального устройства преобразовывается в последовательность сигналов, амплитуды которых соответствуют уровню лог.”1” или лог.”0” в зависимости от значения бита в исходном коде.

Тц

1 0 1 1 0 0 1 1 биты информации

Рис.1.14 Циклограмма сигналов в линии связи

последовательного канала (код 10110011).

Устройствами для преобразования параллельного кода в последовательный в передатчике и обратного преобразования в приемнике служат обычные сдвиговые регистры. На рис.1.15. показана упрощенная схема последовательного канала, выполненная на интегральных сдвиговых регистрах типа К155ИР13. Принцип работы канала заключается в следующем.

УЛС ПРД УЛС ПРМ

D0 Q0 D0 Q0

D1 Q1 D1 Q1

D2 Q2 D2 Q2

D3 Q3 D3 Q3

D4 Q4 D4 Q4

D5 Q5 D5 Q5

D6 Q6 ЛС D6 Q6

D7 Q7 D7 Q7

V V

C C

DL DL

Стоп Готово

ГТИ Сч на 8 Cч на 8

ЛС

Рис.1.15. Принцип работы последовательного канала связи.

Исходный параллельный код в передатчике подается на параллельные входы D!...D8 и записывается в сдвиговый регистр сигналом V, после чего от специального генератора импульсов ГТИ на тактовый вход регистра С подаются импульсы. Одновременно эти же импульсы подаются на вход счетчика (СТ:8), а по специальной синхронизирующей сигнальной линии на тактовый вход регистра приемника. Выдвигаемый из регистра код со старшего выхода Q7 подается в основную сигнальную линию канала и поступает на последовательный вход сдвигового регистра приемника DL. Тактовыми импульсами принимаемые приемником биты сдвигаются в регистре приемника. После прохождения восьми тактовых импульсов, что фиксируется переполнением счетчиков, в передатчике прекращается выдвижение бит информации и в регистр записывается новая дискрета - байт информации, а в приемнике информация с выходов Q0...Q7 сдвигового регистра переписывается в буфер приемника. Канал готов к передаче нового байта информации.

Скорость передачи информации в таком канале определяется тактовой частотой генератора импульсов:

V = n * f бит/сек.

где: n - разрядность дискреты информации, f - частота импульсов в гц.

Последовательные каналы, работающие от одного генератора тактовых импульсов, называются синхронными, они обладают высокой скоростью передачи, однако требуют для своей работы использования дополнительной линии связи для передачи синхронизирующих импульсов. Более экономичными с этой точки зрения являются асинхронные последовательные каналы, в которых тактирование сдвиговых регистров производится собственными тактовыми генераторами, вследствие чего отпадает необходимость в дополнительной сигнальной линии. Необходимая же синхронизация работы регистров передатчика и приемника осуществляется дополнительными мерами. Во-первых применяются высокостабильные по частоте (кварцевые) генераторы, а во вторых рабочий (сдвигающий) импульс выбирается в середине определенной пачки импульсов (чаще всего пачки из 16 импульсов). Таким образом, факт начала интервала принятого бита в приемнике фиксируется несколькими импульсами в начале пачки, а исполнительным является средний импульс пачки. Таким способом корректируется несинхронизация передачи с приемом как за счет разного времени срабатывания элементов передатчика и приемника, так и незначительного различия частот тактовых генераторов.

Передаваемая дискрета информации в последовательных каналах носит специфическое наименование - посылка. Основное содержимое посылки это биты передаваемой информации. Число этих бит может быть произвольным, но на практике чаще всего применяются 8-разрядные (байтовые) посылки. Для более четкого фиксирования начала и конца посылки в ее содержимое кроме основного состава информации добавляются служебные биты, число которых зависит от требований по надежности передачи. В таблице 1.6. приведен типовой состав битов посылки при передаче одного байта информации.

Таблица 1.6.

Порядковый номер бита	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Назначение бита	Старт	0р	1р	2р	3р	4р	5р	6р	7р	Кп	Стоп	Стоп

Как видно из таблицы, к основным информационным битам посылки 0р....7р добавляются:

• Старт-бит, всегда имеет уровень лог.”0”, предназначен для фиксации момента начала приема посылки,

• Стоп-биты, всегда имеют уровень лог.”1”, предназначены для фиксации конца посылки,

• Кп - бит контроля по паритету принятой информации.

Таким образом скорость передачи информации несколько снижается и рассчитывается по формуле:

V = n / t*(n + n’) бит/сек

где: n - число информационных бит в посылке, n’ - число служебных бит, t - период тактовых импульсов, сек.

Последовательные цифровые каналы, как и параллельные, бывают двух типов: одноадресные и многоадресные. Рассмотрим их подробнее.

Одноадресные последовательные каналы связи???(в вопроснике нет)

Как и параллельные каналы, одноадресные последовательные служат для обмена информацией только между двумя абонентами, и переключение на обмен с другим абонентом требует не только остановки работы канала, но и аппаратного переключения линий связи. Поскольку функции преобразования параллельного кода в последовательный и, наоборот, имеют типовой характер, то в настоящее время разработано большое число больших интегральных микросхем, реализующих эти операции

+ 5 в. + 5 в.

D1 Q8 D1 Q8

АБ1 D2 Q7 D2 Q7 АБ2

D3 Q6 D3 Q6

D4 Q5 D4 Q5

D5 Q4 D5 Q4

D6 Q3 D6 Q3

D7 Q2 D7 Q2

D8 Q1 D8 Q1

ПИ БПЧ ПИ БПЧ

C2 C2

РИ РИ

ЧСЭ ССТ ЧСЭ ССТ

ЧЭ1 ИП ЧЭ1 ИП

ЧЭ2 ОПЧ ЧЭ2 ОПЧ

Ч/Н ОСЭ Ч/Н ОСЭ

ЗПЧ ОП ЗПЧ ОП

РЗР РЗР

Вх БРС Вх БРС

ГТИ С1 Вых ГТИ С1 Вых

ИС ПРС ИС ПРС

Бл1 Бл1

Бл2 Бл2

R R

Рис. 1.16. Схема соединения двух абонентов по последовательному

каналу связи на базе МС типа К1002ХЛ1.

.

Кроме основных операций преобразования в таких БИС реализованы и некоторые диагностические и сервисные функции, такие как, например, ошибка переполнения, когда принята следующая посылка, а предыдущая не прочитана и не переписана в буфер, ошибка в числе информационных бит (сбой в передаче или приеме), ошибка в числе стоповых бит (наложение посылок в канале) и др. На рис. 1.16. приведена упрощенная принципиальная схема последовательного канала для двустороннего обмена информацией между двумя абонентами.

Канал реализован на интегральных микросхемах типа К1002ХЛ1, представляющие собой асинхронные двунаправленные приемопередатчики на 8 информационных разрядов. Микросхемы имеют одно питание + 5 вольт, что несомненно удобно при проектировании автономных устройств сбора и передачи информации. Микросхемы имеют также несколько заранее программируемых режимов работы. Рассмотрим работу микросхемы несколько подробнее.

Микросхема содержит следующие элементы и сигналы для организации работы:

• входной параллельный порт D1...D8,

• выходной параллельный регистр Q1...Q8,

• вход последовательной посылки - Вх,

• выход последовательной посылки - Вых,

• пусковой импульс преобразования -ПИ,

• тактовая частота приемника - С1,

• тактовая частота передатчика - С2,

• сигнал сброса всех внутренних схем микросхемы R,

Сигналы настройки на режим:

• число стоповых бит в посылке: при ЧСЭ=0 один стоп-бит, при ЧСЭ=1 два,

• число бит в информационной посылке ЧЭ1и ЧЭ2, выбирается в соответствии с таблицей 1.7.

Таблица 1.7.

Количество бит	ЧЭ1	ЧЭ2
5	0	0
6	0	1
7	1	0
8	1	1

• выбор способа контроля обмена по паритету Ч/Н:

при Ч/Н = 1 контроль по четности,

при Ч/Н = 0 контроль по нечетности,

• запрет контроля по паритету: при ЗПЧ = 0 контроль не производится.

• выбор режима РИ.

• при РИ =0 осуществляется режим стробирования, т.е. анализ уровня принятого бита производится в середине пачки из 16 тактовых импульсов генератора,

• при РИ =1 выбирается режим интегрирования, т.е. решение об уровне сигнала принятого бита принимается после интегрирования принятого бита в течение 64 импульсов тактового генератора.

• запись сигналов выбора режимов в исполнительный регистр - РЗР,

• сигнал - информация сосчитана - ИС, предназначен для блокировки сдвигового регистра приемника, устанавливается в 1 внешним устройством после чтения посылки из выходного регистра приемника,

• сигнал - информация принята - ИП, устанавливается в 1 после приема каждой посылки, тем самым сообщает абоненту о получении информации и сбрасывается по приходу от абонента сигнала ИС,

• сигнал БЛ1 переводит выходной параллельный регистр Q1...Q8 в третье состояние,

• сигнал БЛ2 переводит выходы сигналов ОПЧ, ОСЭ, ОП в третье состояние.

Сигналы БЛ1 и БЛ2 позволяют создавать каналы с проводным объединением по выходам регистров Q1...Q8, что создает удобства абонентам по приему информации от нескольких источников.

• сигнал начала приема посылки ССТ, сохраняет уровень лог.1 до середины приема первого стоп-бита, может использоваться для получения дополнительной информации о работе канала.

• сигнал ошибки по паритету - ОПЧ, устанавливается в 1 при обнаружении ошибки,

• сигнал ошибки в стоповом элементе - ОСЭ, устанавливается в 1 при несовпадении числа стоповых элементов с запрограммированным,

• сигнал ошибки переполнения -ОП - устанавливается в 1 в том случае, если при приеме очередной посылки предыдущая не была прочитана абонентом.

• БРС - буферный регистр свободен, устанавливается в 1 сразу после того, как передаваемый байт информации сигналом ПИ будет переписан из входного регистра в передающий сдвиговый регистр, следовательно, пока будет идти передача в линию посылки, в буферный входной регистр может быть записан очередной байт для передачи по каналу.

• ПРС - передающий регистр свободен - устанавливается в 1 после окончания передачи посылки в линию.

Работает канал следующим образом. Передающий абонент, например, абонент №1, предварительно проанализировав состояние сигнала БРС (он должен иметь уровень 0) подает на параллельные входы D1...D8 очередной байт информации и формирует сигнал ПИ. По этому сигналу байт записывается во входной буферный регистр передатчика, и, если свободен передающий регистр, сразу переписывается в него, после чего автоматически в передающий регистр добавляются служебные биты, включая проверку по паритету и добавление бита паритета. По тактовым импульсам посылка продвигается на выход и далее по сигнальной линии на вход передатчика. Абонент №1 после записи байта в буферный регистр и начала передачи посылки, может проверить сигнал БРС и, если он будет равен 0 - свободен - может в буферный регистр записать очередной байт с помощью нового сигнала ПИ. Однако этот новый байт не будет переписан в передающий регистр, поскольку он не закончил передачу предыдущего. По окончании выдачи посылки, т.е. освобождения передающего регистра, информация из буферного регистра автоматически, без участия абонента, переписывается в передающий регистр, и формируется новая посылка. Если в буферном регистре информации не окажется, то передающий регистр переходит в режим ожидания до прихода нового байта и сигнала ПИ

В приемнике абонента №2 принимаемая посылка поступает в принимающий сдвиговый регистр и в середине первого стоп-бита переписывается в выходной регистр Q1...Q8.Одновременно производится контроль посылки по паритету и на выходе БПЧ формируется бит паритета. Принятая посылка проверяется на наличие ошибок и при их обнаружении формируются соответствующие сигналы (ОП,ОСЭ или ОПЧ). После переписи принятой посылки из приемного регистра в выходной формируется сигнал ИПС, сообщающий абоненту №2 о принятом байте, в ответ на это абонент №2 должен прочитать выходной регистр и сформировать сигнал ИС, что позволит принимающему регистру принять очередной байт информации.

Передача информации от абонента №2 к абоненту №1 производится аналогичным образом, а сама посылка передается по второй сигнальной линии, соединяющей выход передатчика абонента №2 с входом приемника абонента №1. Таким образом для двустороннего обмена двух абонентов достаточно двух сигнальных линий ,т.е. четырех проводов (два общих провода) Иногда с целью экономии проводов общие объединяют, однако для большей помехоустойчивости рекомендуется каждую сигнальную линию строить из двух проводников в виде так называемой “витой пары”.

Несколько слов о скорости передачи. При использовании асинхронного принципа обмена, скорости работы приемника и передатчика должны быть одинаковы, поэтому большей унификации установлен типовой ряд скоростей обмена: 50, 75, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 57600 бод. Скорость измеряется в единицах - бод: 1 бод = 1 битс/сек, где битс - учитывает все биты посылки, т.е. включая все служебные биты, поэтому реальная скорость передачи определится из условия

Vр = V * n / n’, где: n - число информационных бит в посылке, n’ - полное число бит в посылке.

Из приведенного ряда скоростей наибольшее распространение в настоящее время имеет скорость 9600 бод, хотя в последнее время, особенно в устройствах управления высоких иерархических уровней наблюдается тенденция к значительному увеличению скоростей. На уровне же устройств ЧПУ, вполне достаточна и скорость 9600 бод. Исходя из этой скорости, для нашего примера необходимы следующие частоты тактовых генераторов:

• для режима стробирования f = V * 16 = 9600*16 = 153,6 кгц,

• для режима интегрирования f = V * 64 = 9600*64 = 614,6 кгц.

По способу соединения двух абонентов, т.е. способу организации работы сигнальных линий последовательные каналы разделяются на две группы: каналы типа “токовая петля” и каналы типа “стык”. Рассмотрим работу обоих типов каналов.

В каналах типа “токовая петля” физическим носителем битов информации является ток, поэтому часто употребляют термин “токовая посылка”. Как правило, такие каналы дополняются устройствами гальванической развязки между системами питания абонента и собственно канала связи. В связи с этим возникает необходимость применения дополнительных, гальванически развязанных от абонентов источников питания для работы сигнальных линий. Технически этот источник может быть размещен либо у передатчика, либо у приемника, в соответствии с этим и различают каналы с активным приемником или активным передатчиком. Активным называют тот элемент канала, который производит запитку сигнальной линии. Этот момент очень важно учитывать при соединении абонентов, так при соединении двух пассивных элементов сигнальная линия не будет запитана и передачи информации не будет, а при соединении двух активных элементов возможен их выход из строя. Гальваническая развязка в каналах типа “токовая петля” чаще всего выполняется с помощью оптоэлектронных элементов - оптронов. На рис.1.17. а и б приведены принципиальные схемы каналов типа “токовая петля” с активным приемником (а) и с активным передатчиком (б).

а. ИП Rогр.

+

- ТТЛвых.

Т ТЛ

ИП Rогр. б.

+

ТТЛ вых

Рис.1.17. Схемы последовательных каналов:

а. с активным приемником,

б. с активным передатчиком.

Первая схема работает следующим образом: входной сигнал канала обычно ТТЛ - уровня усиливается элементом D1 (схема с открытым коллектором) и подается на входной светодиод оптрона V1. Выходная часть оптрона V1 и входная часть оптрона V2 составляет токовую петлю, запитываемую от источника Vcc, поскольку конструктивно источник расположен в приемнике, то и канал называется каналом с активным приемником. Чаще всего источник питания Vcc по амплитуде отличается от питания абонентов (обычно Vсс = 12...15 вольт иногда и выше). В схеме на рис.1.17.б токовая петля запитывается от источника, конструктивно расположенного в передатчике и канал называется каналом с активным передатчиком. Работа его аналогична работе канала с активным приемником.

Каналы типа “токовая петля” несмотря на некоторую конструктивную сложность (дополнительные источники питания, гальванические развязки) обладают высокой помехустойчивостью и способны осуществлять устойчивый обмен на расстояние до 2000...3000 метров (при использовании в качестве сигнальных линий коаксиальных кабелей), поэтому получили широкое применение при создании СУ ГПС.

В случае передачи информации на небольшие расстояния (20 ...30 метров) используют последовательные каналы типа “стык”. Наглядным примером такого канала может служить соединение двух абонентов с помощью COM - портов ПЭВМ. Состав сигналов COM - порта типа RS-232 приведен в таблице 1.8.

COM - порт представляет собой двунаправленный асинхронный приемо-передатчик с дополнительными служебными сигналами:

• сигналы DTR (DSR) говорят о наличии в канале абонентов (сравните сигналы ГП и ГИ в параллельных каналах),

• сигналы RTS (CTS) свидетельствуют о готовности абонентов к работе (в параллельном канале аналог - сигнал ЗП).

• сигнал DCD является специфичным сигналом при работе с удаленными модемами и обычно в создании каналов связи не участвует

Таблица 1.8.

№№ контактов	Обозначение	Направление сигнала	Назначение сигнала
4 6 7 8 1 3 2 5	DTR DSR RTS CTS DCD TxD RxD GND	Выход вход выход вход вход выход вход	Готовность передатчика Готовность приемника Работа передатчика Работа приемника Наличие несущей Выход последовательной посылки Вход последовательной посылки Общий провод для всех линий.

На рис. 1.18. приведена принципиальная схема соединения двух абонентов через COM- порты (схема соединительного кабеля).

Абонент №1 Абонент №2

DTR 4 4 DTR

DSR 6 6 DSR

RTS 7 7 RTS

CTS 8 8 CTS

DCD 1 1 DCD

TxD 3 3 TxD

RxD 2 2 RxD

Рис.1.18. Схема соединения двух абонентов с помощью COM - портов.

Каналы такого типа обладают достаточной надежностью, в том числе и за счет взаимной блокировки по сигналам RTS (CTS) при несинхронном с передачей считывании абонентом полученной посылки. Однако недостаточная мощность сигналов не позволяет строить каналы связи длиной больше 20...25 метров.

При построении сложны систем управления ГПС часто возникают задачи стыковки устройств с различными типами УЛС, в частности выходные сигналы COM - портов не согласуются напрямую с сигналами портов с ТТЛ - уровнями, например, с портом на основе микросхемы К580ВВ51 (в RS-232 уровень лог.”1” составляет напряжение -8.....-12 в., а уровень лог.”0” составляет напряжение +8.....+12 в.). На рис. 1.19. приведены схемы согласования при соединении устройств с различными типами портов. Как видно из схем, такая стыковка приносит определенные сложности. Так, если для микросхемы К559ИП20 достаточно одного дополнительного источника питания (+5в на 14 вывод и общий - на 7 вывод), то для микросхемы К559ИП19 необходимо два дополнительных источника (+12в на 14 вывод, -12 в - на 1 вывод и общий на 7 вывод).

ТТЛ К559ИП19 RS 232 К559ИП20 ТТЛ

DSR 2 2 DSR DTR 1 3 DTR

2

CTS 4 6 CTS RTS 4 6 RTS

5 5

RxD 9 8 RxD TxD 10

10 8 TxD

12 9

13 11 12

1 3 11

+ 5 в. + 5 в.

Рис.1 19. Принципиальные схемы согласователей

сигналов ТТЛ и RS - 232