Обзор промышленных сетей для домашней и промышленной автоматизации

Промышленная сеть — сеть передачи данных, связывающая различные датчики, исполнительные механизмы, промышленные контроллеры и используемая в промышленной автоматизации. Термин употребляется преимущественно в автоматизированной системе управления технологическими процессами.

В статье рассматриваются интерфейсы: RS-232, RS-485, RS-422, LPT, USB и CAN — интерфейсов. Для наглядности основные параметры сведены в таблицу 1.

Интерфейс Критерии для сравнения
Макс. скорость обмена Макс. длинна линии связи, м Макс. количество абонентов Помехозащищен-ность Среда передачи данных
LPT 1,2 Мбит/с 3 1 низкая 32-х жильный кабель
USB2.0 60 Мбайт/с 5 127 высокая 4-х проводный кабель
RS232 115 кб/с 15 1 низкая 2-х и 3-хпроводная
RS485 10 Мб/с 1200 64 высокая витая пара
RS422 10 Мб/с 1200 10 высокая терминированные линиям
CAN 1 Мб/с 1000 32 очень высокая витая пара, радиоканал
1-Wire 125 Кбит/с 300 256 не высокая 2-х проводная
I2C 3,4 Мбит/с 15 1008 низкая две двунаправленные линии

1.1 LPT
lpt_printer_cable

Исторически параллельный интерфейс был введен в персональный компьютер (ПК) для подключения принтера (отсюда и аббревиатура LPT — Line printer — построчный принтер). Однако впоследствии параллельный интерфейс стал использоваться для подключения других периферийных устройств — сканеров, дисководов типа Zip и ряда других устройств. Базовая разновидность порта позволяет передавать данные только в одном направлении (от ПК к ПУ), однако позднее был разработан ряд стандартов двунаправленной передачи данных.
Адаптер параллельного интерфейса представляет собой набор регистров, расположенных в адресном пространстве устройств ввода/вывода. Количество регистров зависит от типа порта, однако три из них стандартны и присутствуют всегда — регистр данных, регистр состояния и регистр управления. Адреса регистров отсчитываются от базового, стандартные значения которого 3BCh, 378h, 278h. Порт может использовать аппаратное прерывание (IRQ7 или IRQ9). Многие современные системы позволяют изменять режим работы порта, его адрес и IRQ из настроек BIOS Setup. Например, в AWARD BIOS имеется раздел Integrated Peripherals, позволяющий настраивать режим, адрес и IRQ порта.
LPT порт имеет внешнюю 8-битную шину данных, 5-битную шину сигналов состояния и 4-х битную шину управляющих сигналов. Очевидно, что порт резко асимметричен — 12 линий работают на вывод и только 5 на ввод.
При начальной загрузке BIOS пытается обнаружить параллельный порт, причем делает это примитивным и не всегда корректным образом — по возможным базовым адресам портов передается тестовый байт, состоящий из чередующегося набора нулей и единиц (55h или AAh), затем производится чтение по тому же адресу, и если прочитанный байт совпал с записанным, то считается, что по данному адресу найден LPT порт. Определить адрес порта LPT4 BIOS не может. Для работы с ПУ в BIOS предусмотрено прерывание INT 17h, предоставляющее возможность передавать данные (побайтно), инициализировать ПУ и получать информацию о его состоянии

1.2 USB 2.0
220px-Usb-svg.svg

USB — последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике.
Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводной кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания.

1.3 RS232

rs232female-large

Интерфейс RS-232C использует несимметричные приемники и передатчики, сигнал передается относительно общего провода (схемной земли). Интерфейс RS-232C не обеспечивает гальванической развязки устройств. Логической единице на входе приемника соответствует уровень напряжения -3 … -12 В. Для линий управляющих сигналов это состояние называют «ON», а для линий последовательных данных — «MARK». Логическому «0» соответствует напряжение +3 … +12 В (называемое «OFF» или «SPACE», соответственно). Между уровнями +3 … -3 В существует зона нечувствительности, обуславливающая гистерезис приемника. Состояние на выходе приемника изменяется только при пересечении напряжением порога +3 или -3 В.
Уровни сигналов на выходах передатчика должны лежать в диапазоне +5…+12 В или -5 … -12 В.
Интерфейс предполагает наличие защитного заземления обоих устройств.
Присоединение и отключение устройств с автономным питанием должно производиться при отключенном питании, иначе разность не выровненных потенциалов устройств в момент коммутации может превысить допустимые пределы и вывести из строя микросхемы порта.

1.4 RS485
DI23Fig10

Интерфейс RS-485 (другое название — EIA/TIA-485) — один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Физический уровень — это канал связи и способ передачи сигнала (1 уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI).
Сеть построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары — двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) — его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе «1», то на другом «0» и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при «1» она положительна, при «0» — отрицательна.

1.5 RS422
RS485_RS422_Schem

Интерфейс RS-422  очень схож с другим сетевым интерфейсом  RS-485. Эти интерфейсы электрически совместимы между собой, хотя и имеют некоторые различия.

Для симметричной передачи на большие расстояния (в отличии от RS-232, длинна которого до 15 м) используется интерфейс RS-422, для которого информативным сигналом является разница потенциалов между проводниками А и В.
В отличие от RS-485, у RS-422 присутствует по 2 приемника и передатчика. То есть устройства с таким интерфейсом могут работать в дуплексном режиме (full duplex).
Количество устройств в одном сегменте – 1 передатчик + 10 приемников. Топологии – каскадная, PTP («точка-точка», point-to-point).
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.

1.6 CAN
CAN_logo

В любой реализации CAN — носитель (физическая среда передачи данных) интерпретируется как эфир, в котором контроллеры, работают как приемники и передатчики. При этом, начав передачу, контроллер не прерывает слушание эфира, в частности он отслеживает и контролирует процесс передачи текущих, предаваемых им же, данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы передаваемые по шине. Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все узлы сети принимают весь трафик передаваемый по шине. Однако, CAN-контроллеры предоставляют аппаратную возможность фильтрации CAN-сообщений.
CAN сеть предназначена для коммуникации так называемых узлов. Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU).
CAN контроллеры соединяются с помощью шины, которая имеет как минимум два провода CAN_H и CAN_L , по которым передаются сигналы при помощи специализированных ИМС приемо-передатчиков. Кроме того, ИМС приемо-передатчиков реализуют дополнительные сервисные функции:
Регулировка скорости нарастания входного сигнала путем изменением тока на входе.
Встроенная схема ограничения тока защищает выходы передатчиков от повреждения при возможных замыканиях линий CAN_H и CAN_L с цепями питания , а также от кратковременного повышения напряжения на этих линиях.
Внутренняя тепловая защита.
Режим пониженного энергопотребления, в котором приемники продолжают сообщать контроллеру о состоянии шины для того, чтобы при обнаружении на шине информационных сигналов он мог вывести приемопередатчики в нормальный режим работы.

1.7 1-Wire
homepage-1-wire

1-Wire  — двунаправленная шина связи для устройств с низкоскоростной передачей данных , в которой данные передаются по цепи питания (то есть всего используются два провода — один для заземления, а второй для питания и данных; в некоторых случаях используют и отдельный провод питания). Разработана корпорацией Dallas Semiconductor.
Обычно используется для того, чтобы связываться с недорогими простыми устройствами, такими как, например, цифровые термометры и измерители параметров внешней среды.
Устройство 1-Wire может находиться как на печатной плате вместе с устройством управления, так и отдельно. Иногда они предназначены лишь для поддержки устройств 1-Wire, но во многих коммерческих приложениях устройство 1-Wire — просто один из чипов, создающих нужное решение. Иногда они присутствуют, например, в аккумуляторных батареях ноутбуков и сотовых телефонов.
Некоторые лабораторные системы и другие системы сбора данных и управляющие системы подключают к устройствам 1-Wire, используя шнуры с модульными разъёмами или с кабелем CAT-5, с устройствами, установленными в разъём, включёнными в небольшую печатную плату, или присоединёнными к исследуемому объекту. В таких системах популярен разъём RJ11 (6P2C или модульные разъёмы 6P4C, обычно используемые для телефонов).

1.8 I2C
i2c-diagram

I2C шина является одной из модификаций последовательных протоколов обмена данных. В стандартном режиме обеспечивается передача последовательных 8-битных данных со скоростью до 100 кбит/с, и до 400 кбит/с в «быстром» режиме. Для осуществления процесса обмена информацией по I2C шине, используется всего два сигнала линия данных SDA линия синхронизации SCL Для обеспечения реализации двунаправленности шины без применения сложных арбитров шины выходные каскады устройств, подключенных к шине, имеют открытый сток или открытый коллектор для обеспечения функции монтажного «И».
Простая двухпроводная последовательная шина I2C минимизирует количество соединения между ИС, ИС имеют меньше контактов и требуется меньше дорожек. Как результат — печатные платы становятся более простыми и технологичными при изготовлении. Интегрированный I2C-протокол устраняет необходимость в дешифраторах адреса и другой внешней логике согласования.
Максимальное допустимое количество микросхем, подсоединённых к одной шине, ограничивается максимальной емкостью шины 400 пФ.
Встроенный в микросхемы аппаратный алгоритм помехоподавления обеспечивает целостность данных в условиях помех значительной величины.
Все I2C-совместимые устройства имеют интерфейс, который позволяет им связываться друг с другом по шине даже в том случае, если их напряжение питания существенно отличается. На следующем рисунке представлен принцип подключения нескольких ИМС с различными напряжениями питания к одной шине обмена.

You may also like...

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>