Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Обзор существующей системы пожарной защиты самолета Ту-154М

1.1 Размещение противопожарного оборудования на самолете Ту-154М

Противопожарное оборудование состоит из системы обнаружения пожара в отсеках двигателей и в отсеке вспомогательной силовой установки (расположенной в хвостовой части фюзеляжа, ограничивающей пространство вокруг двигателя и его выхлопной системы) и обнаружения дыма в грузовых помещениях , а так же из стационарной системы пожаротушения и ручных огнетушителей в кабинах самолета и его грузовых помещениях. Размещение противопожарного оборудования приведено на рисунке 1.1[1].

Рисунок 1.1. Противопожарная система отсеков двигателей и ВСУ

1-переносной огнетушитель ОУ;

2- панель сигнализации и управления противопожарной системой;

3- огнетушитель УБЦ-8-1;

4 -механизм включения противопожарной системы при посадке с убранными шасси;

5 -датчик ДПС;

6- распылительный коллектор в отсеке ВСУ;

7 -распылительный коллектор в отсеке двигателя № 2;

8 -электропневмоклапаны ЭК-69;

9-трубопровод от баллонов воздушной системы;

10- исполнительные блоки ССП-12-БР;

11- исполнительные блоки БИ-2АУ;

12-блок электромагнитных распределительных кранов 781100;

13-блок электромагнитных распределительных кранов 781200;

14-огнетушитель 2-8-1;

15- распылительный коллектор в отсеке двигателей № 1 и 3;

16 - цилиндр управления заслонкой обдува генератора;

17-обтекатель;

18 -нажимной рычаг;

19- концевой выключатель.

В зоне установки двигателей применена термостойкая изоляция электрожгутов. Установлены антистатики и зарядосъемники для предохранения конструкции от скапливания статического электричества и для его разряда. В бытовом оборудовании и в отделе пассажирских салонов применены невоспламеняющиеся материалы.

Отсеки двигателей № 1 и 3 (рисунок 1.2) отделены от фюзеляжа перегородками 3, проходящими вдоль пилонов; двигатели перегородками 4 отделены от воздухозаборников. Отсек двигателя № 2 изолирован перегородкой 2 от фюзеляжа по шп. № 74А и перегородкой 5, расположенной между шп. № 70-78 - от киля. Вспомогательная силовая установка отделена от фюзеляжа, киля и двигателя № 2 сверху, спереди и снизу перегородками 1, 5, 6, расположенными от шп. № 78 до 83.



Рисунок 1.2. Схема расположения противопожарных перегородок: 1,2,3,4,5,6-противопожарные перегородки.

1.2 Описание существующей системы пожарной защиты самолета Ту-154М

Стационарная система тушения пожара в отсеках ( гондолах) двигателей и в отсеке ВСУ состоит из шести огнетушителей 2-8-1, разряжающихся в три очереди, двух блоков 781100 электромагнитных распределительных клапанов тушения пожара, трубопроводов подачи огнегасительного вещества, распылительных коллекторов, механизма аварийного включения системы при аварийной посадке самолета с убранным шасси, светосигнализаторов срабатывания пирапатронов огнетушителей, кнопок включения огнетушителей 2 и 3 очереди (рисунок 1.3)



Рисунок 1.3 (лист 1 из 2) - Электрическая схема тушения пожара.

1- автомат защиты АЗСГК-5;

2- автомат защиты АЗСГК-10;

3- автомат защиты АЗСГК-5;

5- светосигнализатор срабатывания пиропатронов огнетушителей;

6- выключатель 2 ВГ-15К систем тушения пожара и обнаружения дыма;

7- реле РЭС-47проверки исправности пиропатронов огнетушителей;

8- светосигнальное табло ТС-2 на козырьке приборных досок пилотов;

9- светосигнальное табло на панели системы тушения пожара;

10- резистор СМЛТ-1-180;

11- кнопка КНР;

12- диод Д237Б;

13- реле ТКЕ52ПОДГ аварийного включения 3 очереди огнетушителей;

14- реле ТКЕ54ПОДГ аварийного включения 3 очереди огнетушителей;

15- реле ТКЕ52ПОДГ аварийного включения 1 и 2 очереди огнетушителей;

16- реле ТКЕ52ПОДГ включения 2 очереди огнетушителей;

17- кнопка КНР для включения огнетушителей;

18- реле ТКЕ52ПОДГ аварийного включения 1 очереди огнетушителей;

19- огнетушитель 2-8-1;

21- реле РЭС-47 проверки исправности светосигнальных табло « Пожар»;

22- датчик системы сигнализации о пожаре.

Огнетушители 2-8-1 (рисунок 1.4) установлены в техническом отсеке на постаменте и крепятся хомутами (рисунок 1.5)

Рисунок 1.4- Огнетушитель 2-8-1



Рисунок 1.5. Размещение агрегатов системы тушения пожара в техническом отсеке:

1- трубопровод стравливания давления при самозарядке огнетушителя;

2-постамент;

3- огнетушители 2-8-1;

4- крепежный хомут;

5- блоки 781100 электромагнитных распределительных клапанов тушения пожара;

6- сигнальный диск-указатель

В огнетушителях хранится огнегасительное вещество хладон 114В2 до того мометна, когда при пожаротушении происходит их разрядка. Каждые два огнетушителя обеспечивают одну очередь пожаротушения. Основными частями огнетушителя являются: баллон, сифонная трубка, пироголовка, переходник, зарядная гайка, манометр. Пироголовка является запорным устройством огнетушителя, при срабатывании которой осуществляется выброс огнегасительного вещества из баллона в магистраль системы пожаротушения.

Рабочие штуцера пироголовок всех огнетушителей объединены в общий коллектор, соединенный со входными штуцерами блоков электромагнитных каналов тушения пожара.

Пиропатроны огнетушителей 7ПП-683 (ПП-3), установленные в пироголовке огнетушителя , взрываясь от электрического импульса, создают усилие, которое вскрывает цанговый замок в пироголовке, в результате чего освобождается затворный клапан, а под действием давления в баллоне открывается проходное отверстие для выхода огнегасительного вещества из огнетушителя в трубопроводы и коллекторы системы тушения пожара.

Два блока 781100 электромагнитных распределительных клапанов тушения пожара (рисунок 1.6), установленные в техническом отсеке, предназначены для дистанционного управления подачей огнегасительного вещества из огнетушителей в трубопроводы тушения пожара.

Каждый блок состоит из двух клапанов и двух электромагнитов, функционирующих независимо друг от друга. Электромагниты ввернуты в резьбовые отверстия корпуса клапана и законтрены специальными шайбами.

В каждой секции корпуса клапана установлены затвор с плунжером, пружина, направляющая втулка и фторопластовое кольцо. В резьбовые отверстия корпуса ввернуты направляющая втулка для плунжера, фитинг для присоединения трубопровода и заглушка, загерметизированные металлическими уплотнительными кольцами. Затвор соединен с якорем электромагнита посредством плунжера и валиков. Усилие пружины прижимает затвор к седлу на фитинге.



Рисунок 1.6. Блок 781100 электромагнитных распределительных клапанов.

1- корпус клапана;

2- затвор;

3- пружина;

4- втулка;

5- уплотнительное фторопластовое кольцо;

6- направляющая втулка;

7- плунжер;

8- контровочное кольцо;

9- контровочная шайба;

10- валик;

11- металлическое уплотнительное кольцо;

12- валик;

13- металлическое уплотнительное кольцо;

14- фитинг;

15- заглушка;

16- металлическое уплотнительное кольцо;

17- электромагнит.

Электромагниты имеют по две обмотки: обмотку включения и обмотку удержания. В верхней части электромагнита имеется два концевых переключателя, срабатывающих при включенном электромагните: один для подачи тока на взрыв пиропатронов огнетушителей, второй для включения обмотки удержания.

В момент подачи сигнала на открытие клапана питание подается только на обмотку включения, а обмотка удержания в этот момент зашунтирована. При полном открытии клапана обмотка удержания через концевой выключатель подключается последовательно обмотке включения: ток в обмотке резко уменьшается и обмотка становятся на самоподпитку. Клапан остается открытым и после снятия сигнала , поданного системой сигнализации или от лампы-кнопки.

Трубопроводы предназначены для подачи огнегасительного вещества от огнетушителей к блокам электромагнитных клапанов тушения пожара и от клапанов к распылительным коллекторам. Трубопроводы изготовлены из нержавеющей стали, диаметр трубопроводов 18 мм.

Распылительные коллекторы предназначены для равномерного распределения огнегасительного вещества по защищаемому отсеку и превращение его из жидкого состояния в мелкораспыленное. Коллекторы изготовлены из трубы нержавеющей стали, внутренний диаметр которой 12 мм. В отсеках двигателей коллекторы установлены на двигателях, а в отсеке ВСУ - на каркасе фюзеляжа. Кроме того, в нижней части отсека среднего двигателя установлен дополнительный коллектор. Переход подводящих трубопроводов с каркаса гондол и фюзеляжа на двигатели осуществляется с помощью резиновых шлангов.

В результате срабатывания системы сигнализации в блоке 781100 открывается клапан подачи огнегасительного вещества в отсек, где возник пожар. При пожаре в отсеке ВСУ проходят также сигналы на закрытие крана подачи топлива и остановки двигателя ВСУ.

При открытии клапана подачи огнегасительного вещества электромагнит клапана самоблокируется и через его концевые выключатели замыкается цепь реле автоматического включения разрядки огнетушителей 1 очереди.

От взрывов пиропатронов срабатывают пироголовки двух огнетушителей. Огнегасительное вещество под давлением подается по трубопроводам к распылительным коллекторам, выбрасывается через отверстия в коллекторах в отсек, образуя среду, прекращающую горение. После выброса заряда давление в огнетушителе падает и клапан пироголовки под воздействием возвратной пружины вновь садится на седло, препятствуя наполнению пустого огнетушителя огнегасительным веществом при срабатывании следующих очередей огнетушителей.

Если пожар не потушен огнетушителями 1 очереди, то нажатием кнопки 2 очереди, а при необходимости нажатием кнопки 3 очереди , включаются огнетушители 2 и 3 очереди.

Световая сигнализация дублируется непрерывным звучанием сирены С-1, установленной на правом боковом пульте пилотов. Сирена может быть принудительно отключена выключателем СИРЕНА, установленным на элетрощитке бортинженера.

Обнаружение дыма в грузовых помещениях и оповещение экипажа световой и звуковой сигнализацией осуществляется при помощи сигнализаторов дыма ДС-ЗМ (рисунок 1.7). Сигнализатор представляет собой блок, в котором имеются фоторезистор СФ2-5, усилительная схема на транзисторах и устройство контроля работоспособности. Действие ДС-ЗМ основано на регистрации фоторезистором света, рассеиваемого частицами дыма. При подаче питания и отсутствии дыма в сигнализаторе загорается осветительная лампа, расположенная на одной оси с фоторезистором. При этом от прямого попадания лучей лампы фоторезистор предохраняется специальным экраном. Действие лучей, отраженных от корпуса фоторезистора, слабое, и возникающего в цепи фоторезистора тока недостаточно для срабатывания сигнализатора.

При появлении дыма в багажнике лучи осветительной лампы, отражаясь от частиц дыма, увеличивают освещенность фоторезистора, уменьшая его сопротивление. В результате ток в цепи резистора возрастает настолько, что вызывает срабатывание сигнализатора. Получающийся на выходе сигнал поступает на обмотку реле включения сигнализации дыма. Реле, сработав, самоблокируется и включает сигнальное табло, сирену, а также ЦСО "Пожар". После удаления дыма сигнализация продолжает работать. Для разблокировки реле необходимо нажать кнопку "Проверка и разблокировка сигнализации дыма".

Рисунок 1.7- Сигнализатор дыма ДС-ЗМ

Обнаружение пожара осуществляется системой сигнализации о пожаре

ССП-2А серия 2, которая при возникновении пожара в соответствующем защищаемом в пожарном отношении отсеке оповещает экипаж световой и звуковой сигнализацией, обеспечивает автоматическое включение средств пожаротушения и выдает информацию на магнитную систему регистрации режимов полета.

Принцип работы системы ССП-2А серия 2 основан на использовании явления возникновения термоэлектродвижущей силы в термобатарее датчика при изменении температуры контролируемого отсека . При достижении в контролируемом отсеке температуры воздушной среды 180-400 С со скоростью нарастания не менее 2 С/сек. В термобатареях этих датчиков возникает электродвижущая сила , вызывающая в обмотке поляризованного реле блока БИ-2А ток, достаточный для срабатывания этого реле. Реле срабатывает и своим контактами выдает напряжение 27 В в самолетную систему противопожарной защиты самолета при этом включается светосигнализатор соответствующего отсека.

На самолете установлено четыре комплекта системы ССП-2А серия 2. В комплект системы входят исполнительный блок БИ-2А серия 2 и 18 датчиков ДПС с розетками ССП-2И-РМ. Датчики с розетками установлены в защищаемых отсеках а исполнительные блоки - в техническом отсеке. С исполнительным блоком соединены шесть групп датчиков - по три последовательно соединенных датчика в группе (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 (лист 2 из 2) - Электрическая схема тушения пожара

22- датчик системы сигнализации о пожаре в ВСУ;

26- реле ТКЕ21ПОДГ блокировки проверки системы тушения пожара при включенном автомате защиты огнетушителей 1 и 2 очереди;

27- переключатель 8ПIН-К;

28- переключатель 7ПIН-К;

29- реле РЭС-47 (2 обмотки) проверки исполнительного блока отсека ВСУ;

30- реле РЭС-47 (3 обмотки) проверки исполнительного блока гондолы двигателя № 3;

31- реле РЭС-47 (3 обмотки) проверки исполнительного блока гондолы двигателя № 2;

32- реле РЭС-47 (3 обмотки) проверки исполнительного блока гондолы двигателя № 1;

33- исполнительный блок БИ-2А серия 2;

34- реле ТКЕ52ПОДГ управления клапанами тушения пожара;

35- реле ТКДI1020ДГ включения клапана тушения пожара в гондолах двигателей и ВСУ;

36- реле ТКД54ПОДГ проверки исправности ламп-кнопок системы тушения пожара;

37- лампа-кнопка КП-5 сигнализации пожара в гондолах двигателей и ВСУ;

38- Концевой выключатель АМ800К аварийного включения системы тушения пожара в гондолах двигателей при посадке с невыпущенном шасси;

39- реле ТКЕ56ПОДГ аварийного включения системы тушения пожара в гондолах двигателей;

40- автомат защитыАЗСГК-15;

41-реле ТКЕ2010ДГ включения сети питания системы тушения пожара;

42-блок электромагнитных распределительных клапанов тушения пожара;

43-реле РЭС-47 включения сирены при пожаре.

Система сигнализации пожара ССП-2А выдает информацию на магнитную систему регистрации режимов полета (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9. Магнитная система регистрации режимов полета (МСРП).

1-Лампа сигнализации записи основного лентопротяжного механизма.

2-Тумблер включения основного лентопротяжного механизма.

3-Лампа сигнализации записи дополнительного лентопротяжного механизма.

4-Тумблер включения дополнительного лентопротяжного механизма.

5-Лампа готовности питания.

6-Тумблер переключения подсветки.

7-Лампа сигнализации работы речевого самописца Марс.

8-Кнопка контроля ламп.

9-Переключатели для набора даты и номера рейса.

Система МСРП обеспечивает регистрацию измерительной, служебной и вспомогательной информации. В качестве носителя информации используется магнитная лента шириной 19,05 мм и толщиной 0,055 мм. Скорость протяжки ленты составляет 2,67 мм/с. Запись информации выполняется двумя блоками головок - каждый блок содержит 14 записывающих головок, которые одновременно являются и стирающими. Один кадр записи представляет собой участок магнитной ленты, на котором записана информация одного цикла (одной сек.) и состоит из 64 каналов.

Для включения МСРП необходимо при горящей лампе 5 включить тумблеры 2 и 4 на пульте. При этом лампы 1 и 3 будут индицировать режим работы МСРП.

Если лампы горят непрерывно, значит файл открыт для записи, но данные не записываются. Если лампы мигают - производится запись. Блокировка записи при включенном МСРП производится с целью уменьшения размера файла. Паузу записи можно включить вручную, выключив один выключатель. При повторном включении этого выключателя запись будет продолжена. Для выключения МСРП необходимо выключить оба тумблера. При этом погаснут лампы 1 и 3 и файл будет закрыт.

Перед полетом необходимо набрать на панели МСРП дату и номер рейса и включить тумблеры 2 и 4. После полета тумблеры выключить. Для дешифровки записи можно использовать Microsoft Excel. На эшелоне запись производится один раз в три секунды. На этапах взлета и посадки, в зависимости от высоты, скорости и положения механизации, запись производится с частотой от одного до шести раз в секунду. Для записи с высокой частотой какого-нибудь элемента полета можно принудительно включить высокую частоту записи. Для этого надо включить тумблер 6. Защитная проволочная скоба открывается правой кнопкой мыши.

Аварийные самописцы представляют шаровидную герметическую конструкцию (для МСРП весом 22 кг). В большинстве существующих устройств предусматривается два бортовых аварийных самописца для дублирования функции записи информации.

После выполнения полета наземными службами снимается один из аварийных самописцев и доставляется в центральный центр обработки информации (например, аэропорта) для расшифровки параметров полета и звуковой информации для последующей обработки и анализа. Операции снятия самописца и расшифровки параметров полета и звуковой информации являются трудоемкими и требуют большого времени.

Емкость записи аварийного самописца ограничена. Для МСРП емкость записи составляет 45 минут. Таким образом, в результате расшифровки информации с такого аварийного самописца будет получена информация только о последних 45 минутах полета.

Как показывает практика, информация о последних 45 минутах полета не дает полного представления о техническом состоянии летательного аппарата, а также о действиях экипажа во время полета. Так как возможные неполадки в работе могут проявиться в любой момент времени, а не только в последние 45 минут полета.

Таким образом, недостатками устройств сбора и регистрации полетной информации является необходимость после каждого полета снятия бортового аварийного самописца, считывания информации, записанной в нем и расшифровки считанной информации. Данные недостатки обуславливают недостаточную оперативность анализа качества выполнения полетного задания и состояния летательного аппарата.

Также недостатком существующих систем является то, что средняя продолжительность полета в настоящее время значительно больше, чем продолжительность записи бортового аварийного самописца, что приводит к невозможности записи информации о всем полете, даже средней продолжительности.

Кроме того, манипуляции проводимые с магнитной лентой или проволокой бортового аварийного самописца после каждого полета значительно снижают срок их службы.

Другой недостаток заключается в высокой вероятности появления ошибок при записи бортовым аварийным самописцем, по причине несовершенства технологии записи информации на магнитную ленту или проволоку.

1.3 Внедрение использования бортовой системы технического обслуживания на самолете Ту-154М [2]

Как было описано ранее, магнитная система регистрации полетов имеет множество недостатков при сборе и регистрации полетной информации. Для решения данной проблемы внедряется использование бортовой системы технического обслуживания (рисунок 1.10)

Бортовая система технического обслуживания является средством обобщения, объединения и корреляции результатов встроенного контроля всех бортовых систем с централизованным доступом к информации.

Рисунок 1.10. Бортовая система технического обслуживания

В состав бортовой системы технического обслуживания входит Авиационный Вычислитель Технического Обслуживания (АВТО) и Выносной Терминал (ВТ).

БСТО обеспечивает:

- стандартизованный интерфейс пользователя для инициации выполнения непосредственно на борту проверочных тестов самолетных систем;

- регистрацию в энергонезависимой памяти данных о выявленных в полете неисправностях для их последующего анализа на земле;

- выдачу сообщений об отказном состоянии самолетных систем в полете и на земле;

- интеграцию всех решений по выявлению отказов и неисправностей в самолетном оборудовании с целью его полного охвата наблюдением, начиная с полностью автоматического встроенного контроля, до диалоговых процедур на базе того же встроенного контроля и включая процедуры по выявлению отказов, осуществляемые вручную;

- возможность проведения наземного контроля и локализации отказов без дополнительной (или минимальной) контрольно-проверочной аппаратуры;

- возможность проверки сменных модулей самолетных систем и их замены в случае наличия неисправностей, проверки систем в целом;

- выполнение функций контроля самолета, объединенных с функциями встроенного контроля.

АВТО выполнен в виде моноблока, имеющий в своем составе:

- центральный процессор,

- модули кодового обмена, обеспечивающие прием информации от самолетных систем по 96 независимым каналам и выдачу информации по 24 каналам,

- эксплуатационный регистратор объемом до 4 Гбайт, обеспечивающий регистрацию 2048 параметров в секунду в течение всего полета;

- регистратор отказов, обеспечивающий запоминание не менее 1024 последних отказов и неисправностей.

Выносной терминал, подключаемый к АВТО, обеспечивает доступ к информации о текущих отказах и неисправностях самолетных систем и самолетного оборудования, архивным данным о неисправностях, инициацию проведения проверочного контроля самолетных систем.

БСТО на самолете обеспечивает экономически эффективные и удобные в применении средства технического обслуживания; упрощает процедуры техобслуживания и сводит к минимуму требования к обучению технического персонала; существенно уменьшает объем вспомогательного оборудования; сокращает длительность и трудоемкость технического обслуживания.

Для загрузки данных в БСТО требуются внешние периферийные устройства, которые ведут мониторинг различных систем самолета, в частности систему пожаротушения. Для этого разрабатывается устройство ввода-вывода информации, которая ведет мониторинг системы пожаротушения с созданием резервной копии данных в памяти и выдачи ее по интерфейсам CAN 2.0B и RS-422А.

1.4 Технические требования к разрабатываемому прибору

Задача: разработать цифровой регистратор блока пожарной защиты самолета Ту-154М. Прибор должен удовлетворять следующим требованиям:

- минимальный вес и габариты разрабатываемого прибора (должен быть мобильным);

- диапазон рабочих температур: -40…+85 ^оС;

- цифровой регистратор должен взаимодействовать с внешними устройствами через гальванически развязанный интерфейс CAN 2.0В (2 канала). Скорость обмена 1 Мбит/с;

- цифровой регистратор должен взаимодействовать с внешними устройствами через интерфейс RS-422А. Требования по гальванической развязке не предъявляются;

- цифровой регистратор должен иметь режим работы, предназначенный

для перепрограммирования, записи, перезаписи и чтения эксплуатационных регулировок блока внешними устройствами через контрольный соединитель блока по каналам RS-422A и CAN;

-цифровой регистратор должен иметь функцию трансляции информации из внутренних каналов информационного обмена CAN во внешние каналы CAN для регистрации информации внешними устройствами;

- при выявлении собственного отказа или неисправности внутреннего канала CAN информация об этом должна быть записана в ЗУ, кроме случаев невозможности такой записи (например, полный отказ ЗУ от микроконтроллера цифрового регистратора);

- площадь, занимаемая элементами на плате не должна превышать 60 см ².

2. Разработка структурной схемы цифрового регистратора

Микроконтроллер ведет мониторинг параметров системы пожаротушения с последующей записью этих параметров в память с интервалом 1 с. Для связи с внешними устройствами применяются интерфейсы, посредством которых осуществляется передача регистрируемых данных по соответствующему запросу.

Как видно из структурной схемы, цифровой регистратор содержит:

- микроконтроллер ATmega 162;

- dc/dc преобразователь МС34063А, который организует питание микроконтроллера ATmega 162 (27 В ?5 В);

- электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ ЕЕРROM 25LC512, записывающее параметры системы пожаротушения;

- Конвертер 1, представленный в виде приемопередатчика PCA82C521 интерфейса CAN;

- Конвертер 2, представленный в виде в виде микросхемы MAХ3160 интерфейса RS-422A;

- интерфейс UART;

- интерфейс RS-422A;

- интерфейс CAN 2.0B.

3. Разработка цифрового регистратора блока пожарной защиты самолета

3.1 Описание интерфейса RS-422A [3]

пожарная защита самолет

Согласно техническому требованию, предъявляемому при разработке цифрового регистратора блока пожарной защиты самолета, необходимым было взаимодействие с внешними устройствами через интерфейс RS-422A.

Интерфейс RS-422 очень похож на интерфейс RS-485, описаны они в стандартах ANSI EIA/TIA-485-А и EIA/TIA-422 (EIA - Electronic Industries Association - ассоциация электронной промышленности. TIA - Telecommunications Industry Association - ассоциация телекоммуникационной промышленности. Обе организации занимаются разработкой стандартов). Рассмотрим эти интерфейсы.

В основе построения обоих интерфейсов лежит дифференциальный способ передачи сигнала, когда напряжение, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отсчитывается не от "земли", а измеряется как разность потенциалов между двумя передающими линиями: Data+ и Data- (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1- Соединение трех устройств с интерфейсом RS-485/422 по двухпроводной схеме

Приемники сигнала являются дифференциальными, т.е. воспринимают только разность между напряжениями на линии Data+ и Data-. При разности напряжений более 200 мВ, до +12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы, при напряжении менее -200 мВ, до -7 В - логического нуля. Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в соответствии со стандартом должно быть не менее 1,5 В, поэтому при пороге срабатывания приемника 200 мВ помеха (в том числе падение напряжения на омическом сопротивлении линии) может иметь размах 1,3 В над уровнем 200 мВ. Такой большой запас необходим для работы на длинных линиях с большим омическим сопротивлением. Фактически, именно этот запас по напряжению и определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).

Благодаря симметрии линий относительно "земли" в них наводятся помехи, близкие по форме и величине. В приемнике с дифференциальным входом сигнал выделяется путем вычитания напряжений на линиях, поэтому после вычитания напряжение помехи оказывается равным нулю. В реальных условиях, когда существует небольшая асимметрия линий и нагрузок, помеха подавляется не полностью, но ослабляется существенно.

Для минимизации чувствительности линии передачи к электромагнитной наводке используется витая пара проводов. Токи, наводимые в соседних витках вследствие явления электромагнитной индукции, по "правилу буравчика" оказываются направленными навстречу друг к другу и взаимно компенсируются. Степень компенсации определяется качеством изготовления кабеля и количеством витков на единицу длины.

Особенностью передатчика D (D - "Driver") интерфейса RS-485 является возможность перевода выходных каскадов в "третье" (высокоомное) состояние сигналом (Driver Enable) (рисунок 3.1). Для этого запираются оба транзистора выходного каскада передатчика. Наличие третьего состояния позволяет осуществить полудуплексный обмен между любыми двумя устройствами, подключенными к линии, всего по двум проводам. Если на рисунке 3.1 передачу выполняет устройство В, а прием - устройство А, то выходы передатчиков А и С переводятся в высокоомное состояние, т. е. фактически к линии оказываются подключены только приемники, при этом выходное сопротивление передатчиков А и С не шунтирует линию.

Интерфейс RS-485 имеет две версии: двухпроводную и четырехпроводную. Двухпроводная используется для полудуплексной передачи (рисунок 3.1), когда информация может передаваться в обоих направлениях, но в разное время. Для полнодуплексной (дуплексной) передачи используют четыре линии связи: по двум информация передается в одном направлении, по двум другим - в обратном (рис. 3.2).

Рисунок 3.2. Четырехпроводное соединение устройств с интерфейсом RS-485

Недостатком четырехпроводной схемы является необходимость жесткого указания ведущего и ведомых устройств на стадии проектирования системы, в то время как в двухпроводной схеме любое устройство может быть как в роли ведущего, так и ведомого. Достоинством четырехпроводной схемы является возможность одновременной передачи и приема данных, что бывает необходимо при реализации некоторых сложных протоколов обмена.

Если время распространения электромагнитного поля через кабель становится сравнимо с характерными временами передаваемых сигналов, то кабель нужно рассматривать как длинную линию с распределенными параметрами. Время распространения электромагнитного поля в нем составляет 60...75% от скорости света в вакууме и зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости диэлектрика кабеля, сопротивления проводника и его конструктивных особенностей. При скорости света в вакууме 300000 км/с для кабеля длиной 1000 м можно получить скорость распространения электромагнитной волны в кабеле 200...225 км/с и время распространения 5,6 мкс.

Электромагнитная волна, достигая конца кабеля, отражается от него и возвращается к источнику сигнала, отражается от источника и опять проходит к концу кабеля. Вследствие потерь на нагрев проводника и диэлектрика амплитуда волны в конце кабеля всегда меньше, чем в начале. Для типовых кабелей можно считать, что только первые 3 цикла прохождения волны существенно влияют на форму передаваемого сигнала. Это дает общую длительность паразитных колебаний на фронтах передаваемых импульсов, связанных с отражениями, около 33,6 мкс при длине кабеля 1 км. Поскольку в приемном узле универсальный трансивер (UART Universal Asynchronous Receive Transmit) определяет логическое состояние линии в центре импульса, то минимальная длительность импульса, который еще можно распознать с помощью UART, составляет 33,6 х 2 = 67,2 мкс.

В зависимости от скорости передачи и необходимой длины кабеля можно использовать либо специально спроектированный для интерфейса RS-485 кабель, либо практически любую пару проводов. Кабель, спроектированный специально для интерфейса RS-485, является витой парой с волновым сопротивлением 120 Ом.

Для хорошего подавления излучаемых и принимаемых помех важно большое количество витков на единицу длины кабеля, а также идентичность параметров всех проводов. При использовании неизолированных трансиверов интерфейса кроме сигнальных проводов в кабеле необходимо предусмотреть еще одну витую пару для соединения цепей заземления соединяемых интерфейсов. При наличии гальванической изоляции интерфейсов этого делать не нужно.

Кабели могут быть экранированными или нет. Без эксперимента очень трудно решить, нужен ли экран. Однако, учитывая, что стоимость экранированного кабеля не намного выше, лучше всегда использовать кабель с экраном.

При низкой скорости передачи и на постоянном токе большую роль играет падение напряжения на омическом сопротивлении кабеля. Так, стандартный кабель для интерфейса RS-485 сечением 0,35 кв.мм имеет омическое сопротивление 48,5 * 2 = 97 Ом при длине 1 км. При терминальном резисторе 120 Ом кабель будет выполнять роль делителя напряжения с коэффициентом деления 0,55, т. е. напряжение на выходе кабеля будет примерно в 2 раза меньше, чем на его входе. Этим ограничивается допустимая длина кабеля при скорости передачи менее 100 кбит/с.

На более высоких частотах допустимая длина кабеля уменьшается с ростом частоты (рисунок 3.3) и ограничивается потерями в кабеле и эффектом дрожания фронта импульсов. Потери складываются из падения напряжения на омическом сопротивлении проводников, которое на высоких частотах возрастает за счет вытеснения тока к поверхности (скин-эффект) и потерь в диэлектрике.



Рисунок 3.3. Зависимость допустимой длины кабеля от скорости передачи для интерфейса RS-485

Параметр дрожания фронта импульсов определяется с помощью "глазковой диаграммы". На вход линии подается псевдослучайная двоичная последовательность импульсов, минимальная ширина которых соответствует заданной скорости передачи, к выходу подключается осциллограф. Если к моменту прихода очередного импульса переходный процесс, вызванный предыдущим импульсом, не успевает установиться, то "хвост" предыдущего импульса складывается с началом очередного, что приводит к сдвигу точки пересечения импульсами нулевого уровня на входе дифференциального приемника. Величина сдвига зависит от ширины импульсов и длительности паузы между ними. Поэтому, когда на вход линии подают псевдослучайную двоичную последовательность импульсов, то на осциллографе, подключенном к выходу линии, описанный сдвиг проявляется как размытость или дрожание фронтов импульсов, наложенных друг на друга. Это дрожание ограничивает возможность распознавания логических уровней и скорость передачи информации. Величина дрожания оценивается в процентах относительно ширины самого короткого импульса (рисунок 3.4). Чем больше дрожание, тем труднее распознать сигнал и тем ниже достоверность передачи.

Рисунок 3.4. Зависимость допустимой длины кабеля от скорости передачи при скорости более 100 кбит/с

На рисунке 3.4 показана зависимость допустимой длины кабеля от скорости передачи при скоростях более 100 кбит/с. Зависимость построена для трех значений показателей качества передачи сигнала, которые оценивается величиной дрожания фронта импульса. Как видно, допустимая длина может быть увеличена при снижении требований к качеству передачи. Нижняя кривая показана для случая, когда длительность фронта импульса после прохождения сигнала по линии увеличивается до 30% от ширины импульса. Увеличение длительности фронтов на конце линии - вторая причина, по которой длина линии не может быть больше указанной.

RS-422 - полнодуплексный интерфейс (рисунок 3.5). Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику. Для линий интерфейсов RS-422 могут быть использованы различные проводники (или пары проводников) одного и того же кабеля.



Рисунок 3.5- Интерфейс RS-422

D (driver) - передатчик;

R (receiver) - приемник;

DI (driver input) - цифровой вход передатчика;

RO (receiver output) - цифровой выход приемника;

A - прямой дифференциальный вход;

B - инверсный дифференциальный вход;

Y - прямой дифференциальный выход;

Z - инверсный дифференциальный выход.

RS-422 допускает подключения только, как master/slave. Стандарт на RS-422 изначально предусматривает использование четырехжильной экранированной витой пары, но допускает соединения только от одного устройства к другим (до пяти драйверов и до десяти ресиверов на каждый драйвер). Ниже приведена таблица 3.1 сравнения интерфейсов RS-422 и RS-485

Таблица 3.1

Сравнение интерфейсов RS-422 и RS-485 [4]

Параметр	RS-422	RS-485
Способ передачи сигнала	Дифф.	Дифф.
Максимальное количество приемников	10	32
Максимальная длина кабеля	1200 м	1200 м
Максимальная скорость передачи	10 Мбит/с	30 Мбит/с
Синфазное напряжение на выходе	-0,25...+6 В	-7...+12 В
Напряжение в линии под нагрузкой	±2 В	±1,5 В
Импеданс нагрузки	100 Ом	54Ом
Ток утечки в "третьем" состоянии	-	±100 мкА
Допустимый диапазон сигналов на входе приемника	±10 В	-7...+12 В
Чувствительность приемника	±200 мВ	±200 мВ
Входное сопротивление приемника	4 кОм	12 кОм

3.2 Выбор микросхемы для интерфейса RS-422A [5]

Фирма Maхim является одной из известных компаний по разработке и производству специализированных микросхем для интерфейсов серии RS-232,

RS-485/422. Фирма была основана в 1983 году и самых первых дней нацелена на разработку и выпуск широкого класса аналоговых и аналогово-цифровых интегральных схем.

Микросхемы приемопередатчиков RS-232, RS-485/422 производства Maхim заслуженно пользуются широчайшим спросом. При разработке интерфейсных микросхем основным критерием являлось минимальное электропотребление и максимальная экономия места на печатной плате. Поэтому практически сразу пришлось отказаться от стандартных микросхем приемопередатчиков RS-232, требующих использования трех различных источников питания +5 В и ±12 В.

На первом этапе для питания микросхем стал использоваться один источник питания +5 В. А поскольку для соответствия стандарту RS-232 необходимо обеспечить размах выходного сигнала порядка ±7 В, то в состав микросхемы вошли удвоитель напряжения и инвертор на переключаемых конденсаторах. Теперь для питания микросхемы стало достаточно подвести только +5 В и установить 4 конденсатора номиналом по 1 мкФ. Быстрое повышение рабочей частоты преобразователя позволило снизить емкость этих конденсаторов до 0,1 мкФ, а в ряде случаев и ввести сами конденсаторы в состав микросхемы.

Одновременно с этим шел естественный процесс перевода переносной аппаратуры на пониженные рабочие напряжения. В результате минимальное значение рабочего напряжения приемопередатчиков было также снижено до +3 В, и появились микросхемы с универсальным питанием +3...+5,5 В. При этом питание выходного каскада обеспечивается управляемым преобразователем на переключаемых конденсаторах, который стабилизирует напряжение на уровне ±5,5 В вне зависимости от напряжения питания самой микросхемы. В ряде случаев это позволяет подключать микросхемы непосредственно к аккумулятору без использования каких-либо стабилизаторов напряжения.

Для дальнейшего снижения энергопотребления большинство интерфейсных микросхем в паузах между активным режимом может быть принудительно переведено в режим покоя, при котором потребляемый ток снижается до 1 мкА. Многие из микросхем автоматически переходят в этот режим при продолжительной неактивности на линии связи или отключении внешнего соединительного кабеля. В этом режиме приемники сигнала с линии находятся в рабочем состоянии, и микросхема сразу же переводится в нормальный рабочий режим при подключении кабеля или при появлении признаков активности на линии связи. Поскольку интерфейсные микросхемы предназначены для передачи сигналов за пределы устройства и приема сигналов извне, они значительно больше других микросхем подвержены риску выхода из строя при случайной подаче на них высокого потенциала или при электростатическом разряде. Чтобы снизить риск повреждения микросхемы, были приняты дополнительные меры электростатической защиты. Результатом этого явился выпуск семейства микросхем с электростатической защитой входов/выходов, обеспечивающей безаварийную работу при электростатических разрядах амплитудой до ±15 кВ. Это позволило полностью отказаться от внешних устройств защиты, что, в свою очередь, дало дополнительную экономию места на печатной плате [6].

Рисунок 3.6. Блок-схема МАХ3160 при работе в режимах RS-485/422

На рисунке 3.6 изображена микросхема MAX3160. Она представляет собой мультипротокольный приемопередатчик RS-485/422. С помощью этой микросхемы не надо задумываться, какой интерфейс мы хотим использовать, и можем выбирать соответствующие приемопередатчики. Запаяв на плату одну микросхему MAX3160, мы просто выбираем необходимый тип интерфейса или даже программно управляете этим по своему усмотрению.

3.3 Описание интерфейса CAN [7]

Интерфейс CAN (Controller Area Network - "область, охваченная сетью контроллеров") представляет собой комплекс стандартов для построения распределенных промышленных сетей, который использует последовательную передачу данных в реальном времени с очень высокой степенью надежности и защищенности. Центральное место в CAN занимает протокол канального уровня модели OSI. Первоначально CAN был разработан для автомобильной промышленности, но в настоящее время быстро внедряется в область промышленной автоматизации. Это хорошо продуманный, современный и многообещающий сетевой протокол.

CAN характеризуется следующими основными свойствами:

- каждому сообщению (а не устройству) устанавливается свой приоритет;

- гарантированная величина паузы между двумя актами обмена;

- гибкость конфигурирования и возможность модернизации системы;

- широковещательный прием сообщений с синхронизацией времени;

- непротиворечивость данных на уровне всей системы;

- допустимость нескольких ведущих устройств в сети ("многомастерная сеть");

- способность к обнаружению ошибок и сигнализации об их наличии;

- автоматический повтор передачи сообщений, доставленных с ошибкой, сразу, как только сеть станет свободной;

-автоматическое различение сбоев и отказов с возможностью автоматического отключения отказавших модулей.

К недостаткам можно отнести сравнительно высокую стоимость CAN-устройств, отсутствие единого протокола прикладного уровня, а также чрезмерную сложность и запутанность протоколов канального и прикладного уровня, изложенных в стандартах организации CAN in Automation

Кабель витой пары в сети CAN должен иметь общий (третий) провод; на обоих концах витой пары должны быть согласующие резисторы, сопротивление которых равно волновому сопротивлению кабеля. Максимальная длина кабеля составляет 1 км. Для увеличения длины, количества узлов или гальванической развязки могут быть использованы повторители интерфейса, сетевые мосты и шлюзы.

Витая пара может быть в экране или без, в зависимости от электромагнитной обстановки. Топология сети должна быть шинной, максимальная длина отвода от шины при скорости передачи 1 Мбит/с не должна превышать 30 см. Длину отвода можно рассчитать по формуле 3.1

(3.1)

где Тф - длительность переднего фронта передатчика.

Основные требования к линии передачи и ее характеристикам близки к RS-485/422, однако в передатчиках CAN есть режим управления длительностью фронтов импульсов. Управление выполняется путем заряда емкостей затворов выходных транзисторов от источников тока, при этом величина тока задается внешним резистором. Увеличение длительности фронта позволяет снизить требования к согласованию линии на низких частотах, увеличить длину отводов и ослабить излучение электромагнитных помех.

Выводы "земли" всех передатчиков сети должны быть соединены (если интерфейсы гальванически не изолированы). При этом разность потенциалов между выводами заземлений не должна превышать 2 В. Гальваническая изоляция рекомендуется при длине линии более 200 м, но не является обязательным требованием стандарта.

Для электрического соединения устройств с CAN интерфейсом стандарт предусматривает два варианта. Первый вариант состоит в применении Т-образных разветвителей, которые состоят из трех 9-штырьковых разъемов D-sub, расположенных в одном корпусе, одноименные контакты которых соединены между собой. Разветвители имеют один разъем со штырьками и два - с гнездами.

Второй вариант требует наличия в каждом CAN-устройстве двух разъемов. Для включения устройства в сеть кабель разрезают и на его концах устанавливают ответные части разъемов. Устройство включается буквально в разрыв линии передачи. Такой подход позволяет наращивать количество устройств и изменять топологию сети путем добавления в разрыв кабеля новых устройств и кабеля с разъемами на концах. Один из разъемов должен быть со штырьками, второй - с гнездами. Подключение устройств к шине без разъемов не допускается. Согласующий резистор должен располагаться внутри разъема, который подключается к концу кабеля. Для присоединения модулей к CAN-шине должен использоваться 9-штырьковый разъем типа D- Sub. На модуле устанавливается разъем с гнездами, на соединяющем кабеле - со штырьками. Цоколевка разъемов показана в таблице 3.2

Таблица 3.2

CAN в соответствии с моделью OSI

Контакт	Сигнал	Примечание
1	-	Зарезервирован
2	CAN_ L	Сигнал линии
3	CAN_ GND	"Земля"
4	-	Зарезервирован
5	(CAN_ SHLD)	Экран кабеля (не обязательно)

Применение разъемов со штырьками или гнездами определяется следующим правилом: при "горячей" замене модулей питание должно оставаться только на разъемах с гнездами; это позволяет избежать случайного короткого замыкания.

В CAN сети ни один из узлов не имеет адреса. Вместо этого сообщения посылаются "всем", но содержат идентификатор, который описывает смысл посылаемых данных. В соответствии с этим смыслом любой узел сети может принять это сообщение, если оно необходимо устройству для функционирования. Сообщение принимается узлом, если его идентификатор проходит через фильтр сообщений, имеющийся в каждом узле.

В CAN сети гарантируется, что сообщение будет принято любым из узлов в одно и то же время или не будет принято ни одним из них. Это достигается благодаря широковещательной передаче и использованным методом подтверждения приема сообщений.

Когда сеть свободна, любой узел может начать передачу сообщения. Но каждое сообщение имеет свой приоритет при получении доступа к шине. Поэтому передачу может осуществить только одно устройство - то, которое содержит сообщение с наивысшим приоритетом.

Борьба за доступ к шине происходит следующим образом. Если два или более устройств обнаружили, что линия свободна и начали передачу сообщений одновременно, то возникший конфликт разрешается путем побитного сравнения идентификатора передаваемого сообщения с состоянием линии. В процессе арбитража (урегулирования конфликта) каждое устройство сравнивает логический уровень передаваемого бита с логическим уровнем на шине. Если эти уровни одинаковы, устройства продолжают передавать следующий бит идентификатора. Если приемник устройства показывает, что на шине доминантный уровень, а передатчик в это же время передает рецессивный уровень, то устройство сразу прекращает передачу данного сообщения. Такой механизм арбитража гарантирует, что ни информация, ни время не будут потерян.

Сообщения в CAN передаются с помощью фреймов (блоков данных). Используется два разных формата фреймов, которые различаются длиной поля идентификатора: стандартный фрейм с идентификатором длиной 11 бит и расширенный фрейм с длиной идентификатора 29 бит.

Существует 4 различных типа фреймов:

-DATA FRAME - "фрейм данных" - переносит данные от передатчика к приемнику;

-REMOTE FRAME - "дистанционный фрейм" (фрейм вызова) - передается одним из устройств для того, чтобы получить от другого устройства данные в формате DATA FRAME с тем же идентификатором, что и в REMOTE FRAME;

-ERROR FRAME - "фрейм ошибок" - передается любым устройством, обнаружившим ошибку на шине;

-OVERLOAD FRAME - "фрейм перегрузки" - используется для запроса дополнительной задержки между предыдущими и последующими данными.

Фрейм данных состоит из следующих полей (рисунок 3.7): начало фрейма (Start Of Frame), поле арбитража (Arbitration Field), поле контроля (Control Field), поле данных (Data Field), поле циклического избыточного кода (CRC Field), поле уведомления о приеме (ACKnowledgement Field) и поле конца фрейма (End Of Frame). Поле данных может иметь нулевую длину.

Рисунок 3.7-Структура фрейма данных

Пространство между фреймами представлено рецессивным состоянием шины (которое соответствует высокому уровню, поскольку CAN-передатчики инвертируют логические уровни). Только при рецессивном состоянии шины устройство может начать передачу фрейма.

Начало фрейма кодируется одним доминантным битом. Все устройства сети одновременно синхронизируют свои приемники по переднему фронту импульса этого бита.

Формат поля арбитража различается для стандартного и расширенного формата фрейма. В стандартном фрейме поле арбитража состоит из идентификатора длинной 11 бит и RTR-бита (Remote Transmission Request - "запрос дистанционной передачи").

В расширенном формате поле арбитража имеет идентификатор длиной 29 бит, SRR-бит (Substitute Remote Request - "заменяющий RTR-бит"), IDE-бит (Identifier Extension Bit - "бит идентификации расширенного формата") и RTR-бит. Поле идентификатора в расширенном формате состоит из базового идентификатора и расширенного идентификатора. Базовый идентификатор определяет приоритет расширенного фрейма. RTR-бит служит для того, чтобы отличить фрейм данных от фрейма вызова. IDE-бит служит для различения стандартного и расширенного формата фреймов.

Поле контроля включает в себя код, который указывает длину данных в поле данных, IDE-бит и один (в стандартном формате) или два (в расширенном) зарезервированных бита.

Поле данных состоит из данных, которые должны быть переданы фреймом данных. Он может иметь длину от 0 до 8 байт по 8 бит каждый. Данные передаются младшим разрядом вперед.

Поле CRC содержит циклический избыточный код, служащий для обнаружения ошибок во всех предшествующих ему полях фрейма, включая бит начала фрейма. Поле CRC оканчивается CRC-разделителем (рецессивное состояние) длиной в 1 бит. Стандарт CAN устанавливает алгоритм вычисления CRC. Биты стаффинга перед вычислением удаляются.

Поле уведомления имеет длину 2 бита. Передающее устройство в этом поле посылает два рецессивных бита. Принимающее устройство отвечает доминантным битом, если сообщение принято без ошибок. Второй бит этого поля всегда является рецессивным. Конец фрейма представляет собой последовательность из семи рецессивных бит.

Фрейм вызова выполняет функцию запроса данных. Он аналогичен фрейму данных, но отличается от него только отсутствием поля данных и другими значениями битов.

Фрейм ошибок используется любым принимающим узлом, чтобы сообщить всем участникам сети о том, что передаваемое в данный момент по сети сообщение содержит ошибку. Первым полем в фрейме ошибок является флаг ошибки. Сообщение об ошибке имеет наивысший в системе приоритет, поэтому передается сразу после обнаружения ошибки и принимается всеми устройствами одновременно. Все устройства также одновременно удаляют из своей памяти сообщение, содержащее ошибку.

Фрейм перегрузки состоит из двух полей: флага перегрузки и поля разделителя. Существуют следующие условия, при наступлении которых начинается передача фрейма перегрузки:

- перегрузка приемника, которая требует увеличить паузу между принимаемыми им фреймами;

- обнаружение доминантного бита на месте первого и второго бита в поле перерыва паузы между фреймами.

Между фреймами данных, фреймом вызова и любыми другими фреймами устанавливается пауза. В отличие от этого, перед фреймами перегрузки и ошибок паузы нет, это ускоряет их доставку.Пауза содержит поле перерыва (3 бита) и поле простоя (произвольной длины) и, для пассивных к ошибке устройств, которые выполняли передачу предыдущего сообщения, поле приостановленной передачи.

Фильтрация сообщений используется для выбора из всех сообщений на шине только тех, которые соответствуют маске, записанной в регистр приемника. Маска может быть настроена на отбор группы сообщений и использует идентификатор, входящий в состав поля арбитража. Отобранные сообщения помещаются в буфер приемника.

Сообщение считается достоверно принятым, если не было обнаружен ошибок при его приеме. Если ошибка обнаружена, устройство посылает в шину флаг ошибки.

В CAN рассматривается 5 типов ошибок: