Интерфейсы связи с датчиками Сигнальные интерфейсы и цифровые интерфейсы

Современные датчики представляют собой, как правило, сложное устройство, состоящее из следующих частей: чувствительный элемент, устройство корректировки сигнала (может выполнять коррекцию передаточной характеристики, термокомпенсацию, преобразование сигнала к удобному виду, преобразование в цифровой код), внешний формирователь выходного интерфейса. Соответственно, через этот интерфейс датчик подключается к вычислителю, которому нужны его показания.

Далее проведем некоторую классификацию. Эта классификация придумана мной на основе практического опыта, думаю, она лучше подходит для понимания сути вопроса, чем более общая академическая. Она более общая и как мне кажется, более наглядная.

Все выходные интерфейсы датчиков разобьем сначала на две большие подгруппы, которые назовем следующим образом:

Сигнальные интерфейсы и цифровые интерфейсы передачи данных.

Начнем со второй группы, поскольку она сводится к рассмотрению стандартных интерфейсов связи, о которых говорилось выше.

Т.о. здесь мы перечислим наиболее часто встречающиеся цифровые интерфейсы связи (в порядке распространенности): SPI (SSI), I2C (I2S), RSxxx (232, 422, 485), 1-Wire, CAN, параллельный код (для датчиков угла поворота).

По данному типу интерфейса осуществляется передача данных, содержащих значение показания датчика и дополнительной информации, по установленному протоколу и принимается в вычислителе соответствующим (как правило, встроенным) устройством коммуникации.

Разновидности же первой группы значительно более обширны. Они вынесены в первую группу, т.к. на настоящий момент наибольшее количество датчиков имеют такие интерфейсы.

Сигнальный интерфейс – передача информации производится значением какого-либо параметра сигнала: амплитуда, частота, фаза, скважность и т.п.

Сигнальные интерфейсы в свою очередь тоже можно разделить на две большие группы

с точки зрения их последующей обработки:

аналоговый сигнал (принимается АЦП) и дискретно-импульсный (принимается спец устройствами на основе счетчиков).

Аналоговые сигнальные интерфейсы, как правило, есть непрерывный гладкий сигнал, информационной характеристикой является текущая амплитуда сигнала.

Аналоговые интерфейсы в свою очередь делятся на: токовые и потенциальные.

С токовыми интерфейсами все просто – существует общепринятый промышленный протокол т.н. «интерфейс 4-20ма» – токовый сигнал изменяется непрерывно по амплитуде от 4 мА до 20мА, значение тока соответствует показанию датчика – это стандарт промышленной электроники, так как токовый. Как правило, трансиверы для этого интерфейса могут быть настроены на любой из этих подвидов.

Для потенциальных сигналов какого-то единого выделенного интерфейса не существует – сигнал от датчика передается непрерывно и гладко изменяющимся напряжением. Существуют два главных подтипа сигналов:

униполярный – сигнал одной полярности относительно общего провода, и биполярный – может иметь как положительное, так и отрицательное значение потенциала относительно общего провода.

Вне зависимости от полярности выходного сигнала, его величина может зависеть от напряжения питания датчика, а может и не зависеть (в указанном диапазоне).

Если изменение значения напряжения выходного сигнала прямо пропорционально изменению напряжения питания, то такой выход датчика в английской терминологии называются ratiometric (пропорциональный).

Таким свойством обладают большинство датчиков. Диапазон значений выходного напряжения в этом случае как правило задается соответственно от напряжения питания, например: 0.25В .. 0.8 Vcc.

Типовые напряжения питания датчиков таковы (в порядке распространенности): 5В 3.3В 3В 10В 12В 15В и симметричные биполярные.

Импульсно-дискретные сигналы. Информационным носителем является какая-либо временная или частотная характеристика сигнала. В настоящее время распространены датчики со следующими типами выходных сигналов: ШИМ, частотный выход – показания передаются соответственно скважностью (или длительностью импульса) и значением частоты (периода) – в зависимости от того, что удобнее мерить.