Универсальный блок коммутаций для промышленных сетей передачи данных

Рисунок 1.15 - Организация Profibus PA

Физический уровень реализуется на двухжильном кабеле, технические нормы которого не являются нормированными. В соответствии со свойствами кабеля определяется и длина сегмента.

Собранные сведения о физическом уровне используемых протоколов промышленных сетей обобщим и составим таблицу.

Таблица 1.2 - Стандарты физического уровня протоколов

Протокол передачи данных	Стандарт физического уровня
HART	Bell 202
Modbus	RS-485
Industrial Ethernet	Ethernet(IEEE 802.3)
LonTalk	RS-485
CAN	ISO 11898
Profibus	RS-485



1.3 Интерфейсы физического уровня

Интерфейс Bell 202

Bell 202 - интерфейс передачи последовательных двоичных данных методом частотной манипуляции. Один из первых интерфейсов для передачи последовательных двоичных данных. Разработан корпорацией Bell System, для дистанционного управления и настройки телекоммуникационного оборудования связи.

Интерфейс допускает акустический разрыв между объектами, которые обменивались информацией. То есть, обмен информацией может происходить через телефонные трубки положенные накрест друг к другу. Единица и ноль в этом интерфейсе кодируются различными гармониками звукового диапазона частот. Так как сигналы находятся в звуковом диапазоне частот, то пропускной способности телефонного канала связи хватает для передачи 1200 бит в секунду. Метод частотной манипуляции пришел на замену телеграфному способу передачи данных, который подразумевал кодирование символов временными интервалами, например по коду Морзе.

Тип модуляции:

-FSK (Frequency-Shift keying) манипуляция частотным сдвигом;

-AFSK (Audio Frequency-Shift keying) манипуляция звуковым частотным сдвигом;

-DPSK (Differential Phase Shift Keying) - манипуляция разнофазовым сдвигом.



Рисунок 1.16 - Двоичная последовательность 1001 модулированная методом FSK

При модуляции двоичной последовательности методом FSK, происходит сдвиг частоты передаваемого сигнала с минимальным изменением фазы сигнала. При этом амплитуда сигнала при модуляции не изменяется. Так как используются только две гармонические частоты, то спектр передаваемого сигнала узок (не более 1...2 кГц), Что позволяет сигналам свободно проходить через коммутированные линии связи на большие расстояния. Частотная модуляция обладает хорошей помехоустойчивостью, так как не зависит от амплитуды сигнала.

Модем Bell202, назовем его по современному - driver ("драйвер"), может быть активен или не активен. Когда драйвер активен он постоянно передает в линию связи сигнал с частотой 2200ГЦ, что позволяет другим драйверам понимать - что линия занята и драйвер находится в режиме передачи. Если на вход драйвера подать двоичную последовательность, то он начнет её модулировать частотным сдвигом (FSK). Единицы (Mark) модулируются частотой 1200Гц, нули (Space) частотой 2200Гц. Драйвер перестает выдавать частотный сигнал, когда становится не активным, при этом считается, что он работает в режиме приема данных из линии связи.

Электрические характеристики сигнала Bell202:

· Частота сигнала MARK ("1") для прямого канала : 1200 ±10Гц

· Частота сигнала SPACE("0") для прямого канала : 2200 ±10Гц

· Частота сигнала MARK("1") для обратного канала 150bps : 387±6Гц

· Частота сигнала SPACE("0") для обратного канала 150bps: 487±6Гц

· Частота сигнала MARK("1") для обратного канала 5bps: 387±6Гц

· Частота сигнала Soft Turn-off Tone: 2025 Гц

· Частота сигнала Answer Tone: 900 Гц

· Сопротивление нагрузки передатчика: 600 Ом

· Диапазон сигнального детектора: -48dBm...-43dBm

Интерфейс RS-485

RS-485 (Recommended Standard 485 или EIA/TIA-485-A) - рекомендованный стандарт передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному симметричному каналу связи. Совместная разработка ассоциаций: Electronic Industries Alliance (EIA) и Telecommunications Industry Association (TIA). Стандарт описывает только физические уровни передачи сигналов (т.е. только 1-й уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI). Стандарт не описывает программную модель обмена и протоколы обмена. RS-485 создавался для расширения физических возможностей интерфейса RS232 по передаче двоичных данных.

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.



Рисунок 1.17 - Принцип дифференциальной передачи данных

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.

Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB) переводит их в цифровой сигнал на выходе RO. Чувствительность приемника может быть разной, но гарантированный пороговый диапазон распознавания сигнала производители микросхем приемопередатчиков пишут в документации. Обычно эти пороги составляют ± 200 мВ. То есть, когда UAB > +200 мВ - приемник определяет "1", когда UAB < -200 мВ - приемник определяет "0". Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения - правильное распознавание сигнала не гарантируется. Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые исказят столь слабый сигнал.

Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к другому.

Входное сопротивление приемника со стороны линии (RAB) обычно составляет 12 КОм. Так как мощность передатчика не беспредельна, это создает ограничение на количество приемников, подключенных к линии. Согласно спецификации RS-485 c учетом согласующих резисторов передатчик может вести до 32 приемников.

Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может достигать 10 Мбод/сек. Максимальное расстояние - 1200 м. Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 м или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика - применяют специальные повторители (репитеры).

Таблица 1.3 - Параметры интерфейса RS-485

Стандартные параметры интерфейсов	RS-485
Допустимое число передатчиков / приемников	32 / 32
Максимальная длина кабеля	1200 м
Максимальная скорость связи	10 Мбит/с
Диапазон напряжений "1" передатчика	+1.5...+6 В
Диапазон напряжений "0" передатчика	-1.5...-6 В
Диапазон синфазного напряжения передатчика	-1...+3 В
Допустимый диапазон напряжений приемника	-7...+12 В
Пороговый диапазон чувствительности приемника	±200 мВ
Максимальный ток короткого замыкания драйвера	250 мА
Допустимое сопротивление нагрузки передатчика	54 Ом
Входное сопротивление приемника	12 кОм
Максимальное время нарастания сигнала передатчика	30% бита



Стандарт Ethernet IEEE 802.3

Ethernet -- технология и архитектура построения больших локальных (в том числе распределенных) вычислительных сетей (крупных фирм, государственных агентств, университетов с количеством рабочих станций до 1024), разработанная компаниями Xerox, Intel, DEC. Появление Ethernet принято датировать 22 мая 1973 года, в связи с публикацией Робертом Меткалфом (Robert Metcalf) и Дэвидом Боггсом (David Boggs) описания экспериментальной сети, построенной ими в исследовательском центре фирмы Xerox. Первая версия спецификации (Ethernet I) выпущена в 1983 году в виде стандарта IEEE 802.3. Стандартом определялась шинная топология сети. Передача данных в сетях этого типа возможна по коаксиальному кабелю со скоростью 10 Мбит/с (стандарты IEEE 10Base5 и 10Base2). В 1985 году, когда был опубликован стандарт IEEE 802.3, использовались только два типа передающей среды: тонкий коаксиального кабеля (диаметр 6 мм) - стандарт физического интерфейса BNC (10Base-2), и толстый коаксиального кабеля (диаметр 13 мм) - стандарт AUI (10Base-5, подключение толстого коаксиального кабеля осуществляется посредством специального трансивера). Позднее появились еще три интерфейса: на витую пару - RJ-45 (10Base-T), на коаксиальных кабель для широкополосных сетей кабельного телевидения сопротивлением 75 Ом - (10Broad36), и на оптическое многомодовое волокно (пара волокон) - соединители ST.

Для этих физических интерфейсов применяется манчестерское кодирование. При манчестерском кодировании каждый интервал времени, который занимает передача одного бита, разделен на два равных под-интервала. Единичный бит кодируется высоким напряжением в продолжении первой половины интервала и низким напряжением в течение второй его части, а нулевой бит кодируется противоположным образом. Изменение напряжения в середине интервала облегчает принимающей стороне синхронизацию с передающей станцией.

Дифференциальное манчестерское кодирование представляет собой разновидность обычного манчестерского кодирования. В этом случае единичный бит характеризуется отсутствием изменения напряжения по сравнению с уровнем напряжения во второй половине предшествующего бита. Изменение напряжения в начале бита означает, что это нулевой бит.

Недостаток схемы манчестерского кодирования очевиден -- оно имеет вдвое меньшую пропускную способность, чем прямое кодирование. Однако вследствие своей простоты манчестерское кодирование используется в стандарте 802.3. Уровень напряжения составляет +0,85 В и -0,85 В, причем в силу принятой схемы кодирования постоянные токи в кабеле не могут возникнуть.

Частота основной гармоники электрического сигнала называется частотой несущей. Для кабельных систем Ethernet максимальная частота несущей составляет 10 МГц, следовательно, поскольку каждый период несущей кодирует 1 бит информации, битовая скорость передачи при манчестерском кодировании будет равна 10 Мбит/с.

Стандарт ISO 11898

ISO11898 - международный стандарт для высокоскоростной связи CAN, применяемой в транспортных средствах. ISO-11898-2 определяет PMA и MDI подуровни физического уровня:

· скорость передачи данных - 1 Мбит/сек,

· расстояние - 1000 м.,

· характер сигнала - дифференциальное напряжение, скрученная пара

· линия передачи - витая пара,

· количество драйверов(передатчиков) - 64,

· количество приемников - 64,

· схема соединения - многоточная, полудплекс

ISO 11898 в качестве среды передачи определяет двухпроводную дифференциальную линию с импедансом (терминаторы) 120 Ом (допускается колебание импеданса в пределах от 108 Ом до 132 Ом.

Максимальная скорость сети CAN в соответствие с протоколом равна 1 Mbit/s. При скорости в 1 Mbit/sec максимальная длина кабеля равна примерно 40 метрам. Ограничение на длину кабеля связано с конечной скоростью распространения сигнала и механизмом побитового арбитража (во время арбитража все узлы сети должны получать текущий бит передачи одновременно, те сигнал должен успеть распространится по всему кабелю за единичный отсчет времени в сети.

Соотношение между скоростью передачи и максимальной длиной кабеля приведено в таблице: скорость передачи максимальная длина сети 1000 Кбит/сек 40 метров 500 Кбит/сек 100 метров 250 Кбит/сек 200 метров 125 Кбит/сек 500 метров 10 Кбит/сек 6 километров.

Разъемы для сети CAN до сих пор не стандартизированы. Каждый протокол высокого уровня обычно определяет свой тип разъемов для CAN-сети.

Логический ноль регистрируется, когда на линии CAN_H сигнал выше, чем на линии CAN_L.

Логическая единица - в случае, когда сигналы CAN_HI и CAN_LO одинаковы (отличаются менее чем на 0.5 В).

Использование такой дифференциальной схемы передачи делает возможным работу CAN сети в очень сложных внешних условиях.

Логический ноль - называется доминантным битом, а логическая единица - рецессивным. Эти названия отражают приоритет логической единицы и нуля на шине CAN. При одновременной передаче в шину логического нуля и единицы, на шине будет зарегистрирован только логический ноль (доминантный сигнал), а логическая единица будет подавлена (рецессивный сигнал).



Название параметра	Значение параметра	Единица измерения
	Минимум	Максимум
Постоянное напряжение на CANH и CANL	-3	+32	В
Максимально допустимое кратковременное воздействие напряжений на CANH и CANL	-150	+100	В
Напряжение синфазного сигнала шины	-2	+7	В
Выходное напряжение шины в рецессивном состоянии	+2	+3	В
Дифференциальное выходное напряжение рецессивного состояния	-500	+50	мВ
Внутреннее сопротивление	10	100	кОм
Входное сопротивление	5	50	кОм
Дифференциальное выходное напряжение доминантного состояния	+1.5	+3	В
Выходное напряжение доминантного состояния на CANH	+2.75	+4.5	В
Выходное напряжение доминантного состояния на CANL	+0.5	+2.25	В

Интерфейс	Логический «0»	Логическая «1»
Bell 202	Частота сигнала
	2200 Гц	1200 Гц
RS-485	Уровень сигнала между 2 проводами
	-1.5…-6 В	+1.5…+6 В
IEEE 802.3	Фронт сигнала
	+0.85 -0.85 В	-0.85 +0.85 В
ISO 11898	Уровень сигнала между 2 проводами
	+1.5…+3 В	-500…+50 мВ

1.4 Техническое задание на разработку универсального блока коммутаций для промышленных сетей передачи данных

Целью дипломного проекта является разработка универсального блока коммутаций для промышленных сетей передачи данных. Блок коммутаций должен обеспечивать реализацию следующих функций:

· на аппаратном уровне:

- детектирование интерфейса Bell 202;

- детектирование интерфейса RS-485;

- детектирование интерфейса IEEE 802.3;

- детектирование интерфейса ISO 11898;

- коммутация сигнала на прием/передачу;

- согласование уровней с LVTTL;

· на программном уровне:

- определение по приходящему сигналу протоколов HART, CAN, Industrial Ethernet;

- сравнение формата кадра сигнала с интерфейсом RS-485 и определение протоколов Modbus, Profibus и LonTalk;

- конвертация данных в формат Ethernet и передача сигнала Ethernet на выход системы.



2. Детектирование сигнала на физическом уровне

2.1 Принципы детектирования интерфейсов

В данной главе разрабатывается устройство детектирования поступающего сигнала на физическом уровне. Принцип детектирования на физическом уровне состоит в выделении среди всех параметров интерфейса тех, по которым может быть определен уровень сигнала. Далее разрабатывается схема, в которой осуществляется сравнение уровней сигнала. Дальше сигнал передается на ПЛИС, где происходит уже определение протоколов передачи данных на канальном уровне.

В предыдущей главе был приведен обзор интерфейсов, на которых основаны физические уровни рассматриваемых в данном дипломном проекте протоколов. Было выявлено, что в интерфейсе Bell 202 уровни сигнала кодируются с разной частотой, а в интерфейсах RS-485, ISO 11898, IEEE 802.3 - разными уровнями напряжения между двумя проводами.

В соответствии с представлениями логического «0» и «1» выбрано схемное решение для универсального блока коммутаций для промышленных сетей передачи данных. Обобщим данные, собранные об интерфейсах физического уровня протоколов в таблицу.

Интерфейс	Логический «0»	Логическая «1»
Bell 202	Частота сигнала
	2200 Гц	1200 Гц
Интерфейс	Логический «0»	Логическая «1»
RS-485	Уровень сигнала между 2 проводами
	-1.5…-6 В	+1.5…+6 В
IEEE 802.3	Фронт сигнала
	+0.85 -0.85 В	-0.85 +0.85 В
ISO 11898	Уровень сигнала между 2 проводами
	+1.5…+3 В	-500…+50 мВ

· детектор частоты для определения сигнала, соответствующего интерфейсу Bell 202;

· компаратор с опорным напряжением +0.85 В для определения сигнала, соответствующего стандарту IEEE 802.3;

· компаратор с опорным напряжением +3 В для определения сигнала, соответствующего стандарту ISO 11898;

· компаратор с опорным напряжением +6 В для определения сигнала, соответствующего интерфейсу RS-485.

Непосредственное определение интерфейса физического уровня протокола происходит на демультиплексоре, на который поступают сигналы с данных подблоков измерителя параметров.

2.2 Детектирование интерфейса Bell 202

Частотным детектором называют устройство, в котором осуществляется преобразование входного частотно-модулированного сигнала в выходное напряжение (или ток), меняющееся по закону модуляции.

Для детектирования частотно-модулированных сигналов в основном используются три типа ЧМ-детекторов:

1) дифференциальный со связанными и настроенными в резонанс на промежуточную частоту контурами;

2) дифференциальный с расстроенными контурами;

3) дробный.

Все три типа детекторов содержат преобразователь частотной модуляции, преобразующий изменения частоты ЧМ-сигнала в пропорциональные частоте изменения амплитуды сигнала, и два одинаковых, обычно диодных, амплитудных детектора. Для устранения паразитной амплитудной модуляции ЧМ-сигналов в состав преобразователей модуляции вводятся амплитудные ограничители. При строгом подборе амплитудных детекторов дробный детектор в меньшей степени подвержен влиянию паразитной амплитудной модуляции, чем дифференциальный. Однако на практике обычно не удается добиться строгого подобия амплитудных детекторов. Поэтому введение в состав дробного детектора специального ограничителя амплитуд значительно улучшает качество приема. Частотные детекторы с расстроенными контурами находят меньшее применение, так как они сложнее в устройстве.

Рассмотрим схему дробного частотного детектора.

Рисунок 2.1 - Принципиальная схема дробного частотного детектора

Рассмотрим работу дробного детектора, схема которого представлена на рисунке 2.1. Катушки L1 и L2 имеют сильную индуктивную связь и либо располагаются рядом вплотную друг к другу, либо наматываются рядом на одном каркасе, при этом в каркас ввинчиваются два сердечника - по одному с каждого конца.

Принцип работы любого частотного детектора основан на том факте, что на резонансной частоте напряжение на контуре всегда сдвинуто ровно на 90 градусов (находится в квадратуре) и при любом отклонении частоты этот сдвиг меняется. Поступающие на диоды фазового детектора переменные напряжения входного и сдвинутого контуром сигналов вызывают на выходе детектора постоянное напряжение, пропорциональное сдвигу фаз, а поскольку величина фазового сдвига напрямую определяется величиной отклонения входной частоты от резонансной, получается частотное детектирование.

Данный детектор нечувствителен к быстрым амплитудным изменениям ЧМ-сигнала, благодаря чему можно не применять амплитудного ограничителя. Кроме того, он позволяет уменьшить требуемый коэффициент усиления, так как при отсутствии ограничителя амплитуд действует при меньшем входном напряжении сигнала. В качестве преобразователя модуляции используется настроенный двухконтурный полосовой фильтр, состоящий из С₃L₁, C₄L₂ и катушки связи L_3. Катушка L₁ индуктивно связана с катушками L₂ и L₃. Диоды к вторичному контуру L₂C₄ включены последовательно. Кроме того, параллельно резисторам R₅ и R₆ включен конденсатор С₇ большой емкости (5--10 мкФ). За счет этого постоянная времени т = C₇/R₅ + R₆ = (0,1 ? 0,5) с оказывается больше периода самой низкочастотной составляющей модулирующего сигнала. Резисторы R_3,4 = 100 ? 200 Ом подавляет паразитные колебания в цепи L₃.

Принцип работы дробного частотного детектора заключается в следующем: при отсутствии модуляции к диодам VD1 и VD2 приложены одинаковые напряжения, которые приводят к появлению одинаковых продетектированных токов. Так как эти токи проходят через нагрузочное сопротивление R_н в противоположных направлениях, то U_вых обращается в ноль.

При появлении модулированного сигнала возникает разбаланс токов, что приводит к появлению U_вых отличного от нуля.

Исходя из вышеизложенного, выбираем частотный детектор, принципиальная схема которого изображена на рисунке 2.1

2.3 Обоснование выбора компаратора

Компаратор (аналоговых сигналов) -- электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («?»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе.

При подаче эталонного напряжения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход и компаратор является неинвертирующим.

При подаче эталонного напряжения на неинвертирующий вход, входной сигнал подаётся на инвертирующий вход и компаратор является инвертирующим.

В данной схеме для сравнения будет использован инвертирующий интегральный компаратор напряжений К554СА2.

Рисунок 2.2 - Типовая схема включения К554СА2



Таблица 2.2 - Электрические параметры компаратора К554СА2

№	Электрические параметры	Значение
1	Номинальное напряжение питания Ucc1 Ucc2	12 В +10% -6 В +10%
2	Напряжение смещения нуля	не более 7,5 мВ
3	Выходное напряжение низкого уровня	не более 0,3 В
4	Выходное напряжение высокого уровня	2,5...4 В
5	Ток потребления от источника питания Ucc1 от источника питания Ucc2	не более 9 мА не более 8 мА
6	Средний входной ток	не более 75 мкА
№	Электрические параметры Разность входных токов Время задержки выключения Коэффициент усиления напряжения	Значение
7		не более 10 мкА
8		не более 120 нс
9		не менее 750

2.4 Преобразователи уровней сигналов

Преобразователь Hart/TTL выполнен в виде 2 частей: преобразователь Hart/RS-232 и преобразователь RS-232/TTL.Схема преобразователя Hart/RS-232 выполнена на интегральной микросхеме AM7911. Микросхема AM7911 представляет из себя полнофункциональный FSK-модем Bell202. Микросхема питается от двухполярного источника ±5В.

Рисунок 2.3 - Преобразователь Hart/RS-232



Блок согласования уровней напряжения интерфейса RS-232 с уровнями ТТЛ построен на интегральной микросхеме MAX232. Эта микросхема вырабатывает из +5В два напряжения +10В на конденсаторе С1 и -10В на конденсаторе С4. Конденсаторы С3 и С2 являются накопительными для преобразователя. Сигнал уровней RS-232 подается на вход T1 OUT микросхемы, и приводится к уровням ТТЛ на выходе R1 OUT. В обратную сторону входной сигнал уровней ТТЛ подаваемый на вход T1 IN приводится к уровням RS-232 и подается на приемник через R1 IN.

Рисунок 2.4 - Преобразователь RS-232/TTL

Преобразователь CAN/TTL выполнен на интегральной микросхеме PCA82C251T, которая представляет собой CAN трансивер. Для работы микросхемы в рецессивном режиме на вход TXD подается высокий уровень напряжения (~4 В), вывод RS «заземляется», вывода CANL и CANH не задействованы. При этом выходные напряжения высокого и низкого уровней приблизительно равны (~2,5 В). При подаче на вывод RS высокого уровня микросхема переключается в режим ожидания с пониженным энергопотреблением, при этом ток потребления микросхемы не превышает 270 мкА. В этом режиме передатчик отключается, а ток потребления приемника и всей микросхемы резко уменьшается. Высокий уровень напряжения, поданный на вывод RS, переводит микросхему в режим пониженного энергопотребления, низкий - в высокоскоростной режим. Высокоскоростной режим устанавливается при соединении вывода RS с «землей»

Рисунок 2.5 - Преобразователь CAN/TTL

Преобразователь RS-485/TTL выполнен на интегральной микросхеме

ADM485AR.

Рис. 2.6- Расположение выводов семейства MAX485

Обозначения выводов:

- RO - выход приемника. Если А >B на 200mV RO=1, если А <B на 200mV RO=0.

- RE/- разрешение выхода приемника при RE/=0. При RE/=1 выход RO находится в высокоимпедансном состоянии.

DE - разрешение выходов передатчика. Если DE=1 выходы активны, в противном случае они находятся в высокоимпедансном состоянии. DI - вход передатчика.

GND - общий провод питания.

A - неинвертирующий вход/выход.

B - инвертирующий вход/выход.

VCC - напряжение питания.

Рисунок 2.7 - Преобразователь RS-485/TTL

2.5 Структурная схема универсального блока коммутаций

В данной главе представлена структурная схема универсального блока коммутаций для промышленных сетей передачи данных. Как указывалось ранее, измерительный блок состоит из нескольких частей: частотного детектора и коммутаторов напряжения, на которые сигнал с датчика приходит параллельно. Определение интерфейса поступающего сигнала происходит на демультиплексоре. Далее с помощью преобразователей уровня сигнал приводится к уровню TTL и поступает на ПЛИС. Коммутатор для чтения/записи необходим для того, чтобы переключать сигналы поступающие на ПЛИС и сигнала поступающие на датчик.

Для определения Hart-сигнала используется детектор сигнала Hart, который представляет собой частотный дробный детектор. На выходе частотного детектора при частотно-модулированном входном сигнале будет низкочастотное напряжение, а при отсутствии модуляции выходное напряжение отсутствует. Поэтому на выходе детектора подключен компаратор для сравнения напряжения с нулем. Выходной сигнал с компаратора подключается на первый управляющий вход демультиплексора.

На компараторах напряжения, включенных параллельно, исходный сигнал сравнивается с опорным напряжением, установленным заранее для каждого протокола. У компаратора для определения Ethernet уровень опорного напряжения составляет 0,85 В, у компаратора для определения CAN - 3В, а у компаратора для определения RS-485 - 6 В. Выходной сигнал с компараторов подается на второй, третий и четвертый управляющие входы демультиплексора соответственно.

Демультиплексор осуществляет коммутацию поступающего на информационный вход сигнала на один из выходов, в соответствии со значениями, поступающими на управляющие входы с выходов компараторов. На выходе демультиплексора активны 4 канала, соответствующие одному из интерфейсов. Данные каналы выбраны в соответствии с таблицей истинности демультиплексора таким образом, чтобы на адресных входах была одна единица, а остальные нули.

Таблица 2.3 - Таблица истинности

Входы	Выходы
А1	А2	А3	А4	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
0	0	0	0	D	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	1	0	D	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	1	0	0	0	D	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	1	1	0	0	0	D	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	1	0	0	0	0	0	0	D	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	1	0	1	0	0	0	0	0	D	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	D	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	D	0	0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	D	0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	D	0	0	0	0	0	0
1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	D	0	0	0	0	0
1	0	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	D	0	0	0	0
1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	D	0	0	0
1	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	D	0	0
1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	D	0
1	1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	D

Коммутатор для чтения/записи представляет собой шестиканальную схему на аналоговых ключах, которая в зависимости от поступающего от ПЛИС сигнала разрешения RE производит коммутацию каналов. Если поступает сигнал RE равный 0, то первые три канала замкнуты, остальные разомкнуты. И наоборот, если сигнал RE равен 1, то первые три канала разомкнуты, остальные замкнуты. Таким образом осуществляется переключение сигнала, поступающего на ПЛИС и сигнала, поступающего на датчик. Далее необходимо согласовать уровень передаваемого сигнала с уровнем сигнала на ПЛИС. Для этого используется несколько преобразователей уровня для каждого интерфейса. Они конвертируют уровень поступающего сигнала в низковольтный TTL формат, который поступает на ПЛИС. Управляющий сигнал для датчика, поступающий с ПЛИС, также конвертируется с помощью преобразователей уровня из формата TTL в формат интерфейсов CAN, Hart и RS-485. Для того чтобы сигнал для датчика не поступал на компараторы и детектор используется еще один коммутатор, также управляемый сигналом RE, который отрезает путь к компараторам, при значении RE равном 1. Принципиальная электрическая схема универсального блока коммутаций для промышленных сетей передачи данных представлена в Приложении 1.



Схема



Для данной схемы был выбран дешифратор-демультиплексор MM74C154.

Таблица 2.4 - Электрические параметры демультиплексора MM74C154

1	Входное напряжение низкого уровня	не более 0,8 В
2	Входное напряжение высокого уровня	не менее 1,5 В
3	Выходное напряжение низкого уровня	не более 0,4 В
4	Выходное напряжение высокого уровня	не менее 2,4 В
5	Входной ток низкого уровня	не менее -1 мА
6	Входной ток высокого уровня	не более 1 мА
7	Ток потребления	не более 300 мА

Входной коммутатор представлен микросхемой 590КН2. Четыре независимых аналоговых ключа.

Рисунок 2.4 - Цоколевка микросхемы 590КН2

Назначение выводов:

I_i - аналоговый вход (выход).

O_i - аналоговый выход (вход).

V_i - вход управления: V_i=L - ключ замкнут; V_i=H - ключ разомкнут.

E+ положительное напряжение питания (+12 в).

E- отрицательное напряжение питания (-12 в).

Gnd- общий вывод (цифровая земля).

Коммутатор для чтения/записи представлен 2 микросхемами 590КН2.



3.Детектирование сигнала на канальном уровне

3.1 Принцип детектирования

Детектирование на канальном уровне осуществляется программно для тех протоколов передачи данных, физический уровень которых базируется на интерфейсе RS-485. Данный процесс осуществляется за счет различий в структуре сообщений промышленных протоколов.

В данном дипломном проекте рассматриваются несколько протоколов передачи данных, организованных на интерфейсе RS-485 - это протоколы Modbus, Profibus и LonTalk. Рассмотрим форматы кадров данных протоколов.

Пакет данных в Modbus выглядит следующим образом:

Адрес	Код функции	Код функции	Контрольная сумма

Адрес - это поле, содержащее номер устройства, которому адресован запрос. Каждое устройство в сети должно иметь уникальный адрес. Устройство отвечает только на те запросы, которые поступают по его адресу, во избежание конфликтов. При этом, ведомое устройство в своем ответе так же посылает поле Адрес, кроме широковещательного запроса (когда ответа от ведомого быть вообще не должно).

Код функции - содержит номер функции. Функция может запрашивать данные или давать команду на определенные действия. Коды функций являются числами в диапазоне от 1 до 127. Функции с номерами от 128 являются зарезервированными для пересылки в ответном сообщении информации об ошибках. 1 байт данных

В поле Данные содержится информация, которую передает мастер слэйву, либо наоборот в случае ответного сообщения. Длина этого поля зависит от типа передаваемых данных.

Поле Контрольная сумма является важным элементом протокола: в нем содержится информация, необходимая для проверки целостности сообщения и отсутствия ошибок передачи.

Структура сообщения Profibus.

Сообщение в Profibus называется телеграммой. Телеграмма может содержать до 256 байт, из них 244 байта данных, плюс 11 служебных байт (заголовок телеграммы). Все телеграммы имеют заголовки одинаковой длины, за исключением телеграммы с названием Data_Exchange. Заметим, что 11 байт служебной информации делают Profibus очень неэффективным при передаче коротких сообщений. Однако при больших объемах данных такой формат телеграммы достаточно эффективен.

SD

LE

LEr

SD

DA

SA

FC

DSAP

SSAP

DU(1…244байт)

FCS

ED

Поля телеграммы имеют следующее содержание:

· SD - стартовый разделитель. Используется для указания начала телеграммы и ее формата. Имеется четыре типа разделителей для телеграмм запроса и ответа и один тип для короткого уведомления. Короткое уведомление имеет поле SD, но не в начале телеграммы;

· LE - длина передаваемых данных (DA+SA+FC+DSAP+SSAP+DU);

· LEr - повторение поля LE с целью его резервирования;

· DA - адрес устройства-получателя телеграммы;

· SA - адрес отправителя;

· FC - код типа телеграммы (запрос, уведомление, ответ, диагностические данные, тип устройства - мастер или ведомый, приоритет, уведомление);

· DSAP - устройство-получатель использует это поле чтобы определить, какой тип сервиса нужно выполнить;

· SSAP - COM порт отправителя;

· DU - данные длиной от 1 до 244 байт;

· FCS - контрольная сумма телеграммы (сумма значений полей DA+SA+ FC+DU, по модулю 255);

· ED - признак конца.

Компоненты пакета LonTalk:

После арбитража шины посылается преамбула битовой синхронизации (1111111…1) и со стартового бита (0) выполняется побайтовая синхронизация. Далее следует информация о содержании кадра, адресная информация, собственно данные, 16 битов CRC и стоповый бит(CV), нарушающий правило кодирования и тем самым индицирующий конец пакета. В течение b1 в передающей среде отсутствуют какие-либо сообщения.

3.2 Структура VHDL-описания детектора

Программная реализация универсального блока коммутаций для промышленных сетей передачи данных организована на языке VHDL. На рисунке 3.1 представлена структура управляющей программы универсального блока коммутаций на VHDL.



Рис.

По одному из каналов приема/передачи данных (Hart, CAN, Industrial Ethernet, RS-485) приходит информационный сигнал. Для каждого из типа сигналов есть блок приема/передачи, специально настроенный в соответствии с протоколом передачи данных (временные задержки, ширина шины данных, алгоритм скремблирования/дескремблирования, кодирования/декодирования и т.д.). Разные блоки приемопередатчика (GTP/GTX и SERDES) зависят от скорости приема/передачи. Если скорость высокая (1 Гбит/с и выше) - использется GTP/GTX, если небольшая - SERDES.

Из этих блоков далее по параллельной шине приходят данные, не только информационные, но и данные синхронизации, контрольные суммы, временные отметки и прочее. Эти данные приходят в блоки программной поддержки протоколов. В случае с Hart, CAN, Industrial Ethernet они приходят напрямую, а в случае с RS-485 они проходят через промежуточный блок сравнения форматов кадра и определения протокола Modbus, Profibus, LonTalk.

Из блоков программной поддержки протоколов мы забираем только информационные данные (полезную информацию) и передаем их на блок коммутации каналов передачи данных. Этот блок отвечает за создание сигнала RE, а также передает данные с одного из шести входных каналов на один выходной канал Ethernet. Сначала выходные данные поступают в блок программной поддержки протокола Ethernet, где данные инкапсулируются в пакеты Ethernet, а затем передаются на блок параллельно/последовательной передачи данных в выходной канал.

3.3 Обоснование выбора ПЛИС

Выбор FPGA основывается на том, насколько полно разрабатываемое устройство занимает ресурсы кристалла, а также линии ввода-вывода. При этом следует учитывать возможность дальнейшего развития проекта. Однако, исходя из экономических соображений, не следует выбирать FPGA с очень большим количеством вентилей, т.к. стоимость конечного устройства будет высока. Также необходимо принимать во внимание и соответствие быстродействия устройства параметрам кристалла.

Для реализации данного проекта целесообразно выбрать ПЛИС фирмы XILINX семейства Spartan-3 XC3S400. Данная микросхема обеспечивает необходимую плотность реализации проекта, располагает необходимым количеством линий ввода-вывода.

Основные особенности семейства Spartan-3: технологический процесс 90 нм SRAM КМОП; системная тактовая частота до 326 МГц; напряжение питания ядра - 1,2 В, блоков ввода-вывода - от 1,2 до 3,3 В; поддержка 17 сигнальных стандартов ввода-вывода; 6 дифференциальных стандартов передачи сигналов, включая LVDS; передача данных со скоростью 622 Мбит/с по одному выводу входа/выхода; до 784 выводов входа/выхода; размах сигнала от 1,14 до 3,45 В; программируемый импеданс; поддержка передачи данных с удвоенной скоростью (DDR).



4.Оценка стоимости разработки универсального блока коммутаций для промышленных сетей передачи данных

Стоимость разработки блока коммутаций для промышленных сетей передачи данных складывается из стоимости разработки программного обеспечения, стоимости разработки и изготовления электронных блоков системы, и стоимости дополнительного оборудования.

Для расчета конечной отпускной цены разработанного опытного образца необходимо определить количество часов, затраченных непосредственно на выполнение разработки.

Таблица 5.1 - График выполнения работ

Тип исполняемой работы	Затраченное время, дни:
1 Разработка аппаратной части устройства:
Разработка универсального блока коммутаций	20
2 Разработка ПО:
Разработка алгоритма работы устройства	5
Разработка управляющей программы	6
Итого:	31

Определим фонд оплаты труда (ФОТ) и отчисления на социальное страхование за разработку аппаратной части и ПО, для чего необходимо выяснить такие параметры как оклад инженера и дневную норму выработки в месяц.

Оклад инженера разработчика (студента - дипломника) с учетом 50% увеличения оклада в соответствии с тарифным коэффициентом 2,86 составляет:

где - тарифная ставка первого разряда, - тарифный коэффициент.

С учетом этого рассчитаем основную заработную плату за месяц:

За 31 рабочих дней заработная плата составит:

Дополнительная заработная плата:

Тогда суммарная заработная плата составит:

Расчет отчислений приведен в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Отчисления на зарплату инженера

Статья отчислений	Отчисления, %	Отчисления, руб
Социальное страхование	35	662 662
Обязательное страхование рабочих	0.4	7573
Итого:		670235

Рассчитаем затраты на электроэнергию и другие материальные затраты и результаты приведем в таблице 5.3.

Расходы на электроэнергию при цене 1114 руб. за один кВт и потребляемой компьютером мощности в размере 320 Вт за час составят:



Таблица 5.3 - Материальные затраты на проектирование изделия

Наименование материала	Количество, шт	Цена за ед., руб	Сумма, руб
Бумага писчая	100	120	12000
Затраты на электроэнергию			88407
Итого:			100407

С учетом накладных расходов (в размере 10 %) затраты составляют: 100 407 руб.

Для разработки ПО использовался один персональный компьютер, стоимость которого составляет порядка 3 000 000 руб.. Максимальный срок эксплуатации компьютера равен пяти годам, за этот промежуток времени его комплектующие полностью устареют, и будет необходимо приобрести новые.

Амортизационные отчисления за один день использования компьютера составят:

Где 253 - среднее количество рабочих дней в году.

Величина амортизационных отчислений за весь период разработки будет определяться как произведение отчислений за один день на количество полных рабочих дней, в течение которых использовался компьютер:



Общая сумма расходов определяется по формуле:

Где - затраты на основную заработную плату;

- затраты на дополнительную заработную плату;

- отчисления на заработную плату;

- затраты на электроэнергию;

- амортизационные отчисления за использование компьютера;

- затраты на материалы.

Рентабельность и прибыль по разработке блока коммутаций определяются исходя из результатов анализа рыночных условий, переговоров с заказчиком (потребителем) и согласования с ним отпускной цены, включающей дополнительный налог на добавленную стоимость.

Прибыль рассчитывается по формуле:

где - прибыль от реализации коммутатора, ден. ед;

- уровень рентабельности, принимаем 30 %;

- себестоимость, ден. ед..

Определим прибыль:



В общую цену коммутатора включается налог на добавленную стоимость, который рассчитывается по нормативу, установленному действующим законодательством, в процентах к общей сумме добавленной стоимости:

где - налог на добавленную стоимость, ден.ед.;

- добавленная стоимость, ден.ед.;

- норматив налога на добавленную стоимость, ден.ед..

Добавленная стоимость рассчитывается по формуле:

Определим налог на добавленную стоимость:

Прогнозируемая отпускная цена коммутатора представляет собой сумму себестоимости, прибыли и налога на добавленную стоимость:

Стоимость материалов, необходимых для изготовления устройства, приведена в таблице 5.4.



Таблица 5.4 - Материальные затраты на создание опытного образца блока коммутаций

Элементы		, руб	, руб
1. Резисторы	56	100	5600
2. Конденсаторы	32	1530	48960
3. Катушки	3	6300	18900
4. Диоды	10	3900	39000
5. Транзисторы	3	11500	34500
6. Аккумуляторные батареи	3	2900	8700
7. Трансформаторы	2	14500	29000
8. Микросхемы
МАХ232	2	5440	10880
590КН2	3	81200	243600
К554СА2	4	100	400
MM74C154	1	82400	82400
Элементы		, руб	, руб
PCA82C251T	2	12180	24360
AM7911	2	36800	73600
ADM485AR	2	13700	27400

Затраты на материалы, необходимые для изготовления универсального блока коммутаций составляют 647 300 руб.



5. Проектирование корпуса блока коммутаций для промышленных сетей передачи данных

Начальным этапом автоматизации проектирования в радиоэлектронике является разводка печатных плат. Эта работа проще поддается математическому моделированию и представляет собой плоскую задачу трассировки. Однако процесс конструирования изделий электронной техники не ограничивается только разводкой. Можно приблизительно разбить действия разработчиков на три этапа:

· разработка схемотехнических решений и подбор элементов с необходимыми параметрами;

· решение задач размещения элементов на печатных платах, трассировка проводников и выпуск "сигнальных" плат;

· создание конструктивов (блоков, корпусов и стоек), размещение в них плат, трансформаторов и других элементов. Здесь же можно упомянуть и процесс выпуска комплекта конструктивных деталей на все изделие.

Данное разбиение действий разработчиков изделий специального назначения не всегда соблюдаются, но подобное деление имеет место в большинстве случаев.

При проектировании корпуса конечного изделия следует учитывать такие факторы как:

· материал корпуса, его электромеханические характеристики;

· форму и размеры;

· стоимость сырья и производства изделия;

· эстетические качества;

· практичность в использовании, обслуживании и ремонте;

· безопасность при использовании.

В качестве материала изготовления корпуса выберем полиметилметакрилат (далее в тексте ПММА). Жесткость и прочность у ПММА выше, чем у эфироцеллюлозных пластмасс. Горючий, горит с выделением характерного запаха. Очень хорошо окрашивается. Изделия имеют высокий поверхностный глянец. Оптическая прозрачность при экструзии труднодостижима из-за высокой адгезии расплава к металлу калибрующего устройства. Может применяться для контакта с пищевыми продуктами (например, молокопроводы).

Детали, изготовленные из ПММА стойки к маслу и горючим веществам и при испытаниях на абразивный износ, свариваются с корпусом из пластика АБС-2020 или Магнума 3404.

Полиметилметакрилат (ПММА), также выдерживает испытания на внутренние напряжения и обеспечивает:

· стабильность размеров;

· стойкость к термическим циклам;

· стойкость к солнечной радиации.

Диапазон температур при эксплуатации деталей из ПММА от минус 40 до плюс 45 °С. ПММА является нетоксичным материалом, при хранении при нормальной температуре никаких вредных продуктов в концентрациях, опасных для организма человека не выделяет и не является взрывоопасным продуктом, относится к 4 классу опасности по ГОСТ 12.1.007-76 "Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности". Температура самовоспламенения 460 °С. Средства пожаротушения: тонкораспыленная вода, песок, пена.

Внешний вид устройства показан на рисунке 5.1

Ширина блока коммутатора составляет 43 сантиметра, глубина и высота 3,5 и 4,5 сантиметров соответственно. Острые края и углы имеют закругления радиусом 3 мм, согласно ГОСТ 10948-64 « Радиусы закруглений и фаски. Размеры». Основание устройства снабжено специальными резиновыми подкладками для предотвращения скольжения по поверхности рабочего места.



Рисунок 5.1 - Внешний вид устройства

Верхняя и нижняя крышка соединяются четырьмя болтами, что обеспечивает высокую прочность конструкции. Болты прикрываются резиновыми подкладками.

Устройство имеет строгий внешний вид и хорошо дополняет интерьер рабочего места, не отвлекая от работы. Цвет корпуса - серебристый с черными вставками.

Интерфейсные порты данного устройства располагаются на передней и задней панели: 2 RJ-45 - входной и выходной порты.

Таким образом, проектируемое устройство обладает отличными эстетическими, практическими и экономическими показателями качества, безопасно в обращении, имеет хорошую механическую и термическую прочность.



Заключение

В дипломном проекте разработан универсальный блок коммутаций для промышленных сетей передачи данных.

В ходе разработки данной системы были созданы:

· детектор интерфейса Bell 202 на основе дробного частотного детектора;

· детекторы интерфейсов RS-485, IEEE 802.3, ISO 11898 на основе компараторов напряжения;

· преобразователи уровней RS-485/TTL, CAN/TTL, HART/TTL;

· принципиальная электрическая схема для детектирования сигнала на физическом уровне, т.е. схема для определения интерфейса.

· VHDL-описание детектора для ПЛИС, выполняющее детектирование сигнала на канальном уровне, т.е. определение протокола передачи данных и коммутацию сигнала в формате Ethernet.

В данном дипломном проекте была рассчитана прогнозируемая отпускная цена универсального блока коммутаций, которая составляет 2 303 672 руб. Также были рассчитаны затраты на материалы для производства опытного образца - 647 300 руб.

В рамках раздела «Охрана труда» перечислены требования к изготовлению и проектированию корпуса универсального блока коммутаций.



Список использованных источников

1. Дитрих Д. LON-технология. Построение распределенных приложений/ Д.Дитрих, Д.Лой, Г.Швайнцер // -Пермь: Звезда, 1999. - 424 с.

2. Новиков Ю.В. Основы локальных сетей / Ю.В. Новиков, С.В.Кондратенко// - Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2005. - 360 с.

2. Бочков К.А. Автоматика, телемеханика и связь на транспорте: Пособие по оформлению дипломных проектов / К.А.Бочков, С.Н.Харлап, А.Г.Серенков, Кондрачук В.Ф. // - Гомель: БелГУТ, 2002. - 70 с.

3. Первое знакомство: краткий обзор промышленных сетей по материалам конференции FieldComms 95 // Средства и системы компьютерной автоматизации [Электронный ресурс]. -- 2012 -- Режим доступа: http://www.asutp.ru/?p=600191 . -- Дата доступа: 24.03.2012

4. Промышленные сети и кабели для них// Техническая информация // Электрокомплекс [Электронный ресурс]. -- 2012. -- Режим доступа: http://www.elth.ru/index.php?module=80 -- Дата доступа: 20.04.2012

5. Приемопередатчики MAXIM для индустриальных интерфейсов // Архив // Новости электроники [Электронный ресурс]. -- 2012. -- Режим доступа: http://www.compeljournal.ru/enews/2010/5/4 . -- Дата доступа: 11.04.2012

6. Промышленные сети и интерфейсы// Энциклопедия АСУ ТП [Электронный ресурс]. -- 2012. -- Режим доступа: http://www.bookasutp.ru/Chapter2_1.aspx -- Дата доступа: 17.05.2012

7. Сети управления и сбора данных в реальном масштабе времени (CAN) // Сети, протоколы, сервисы [Электронный ресурс]. -- 2012. -- Режим доступа: http://www.opennet.ru/docs/RUS/inet_book/4/41/can_414.html -- Дата доступа: 06.06.2012

Размещено на Allbest.ru