Иванов Ю.И., Югай В.Я. Интерфейсы средств автоматизации

Подождите немного. Документ загружается.

УДК 681.372.8 (075.8)

Ю.И.Иванов, В.Я.Югай. Интерфейсы средств автоматизации: Учебное

пособие. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. – 252 c.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направ-

лению 550200 «Автоматизация и управление», и содержит сведения, необхо-

димые при изучении курсов «Технические средства автоматизации и управ-

ления», «Микропроцессорные устройства систем управления», «Электрон-

ные устройства

автоматики». В учебном пособии рассмотрены алгоритмы

работы стандартных интерфейсов, применяемых для организации взаимодей-

ствия элементов в современных системах автоматизации, приведены данные

по электронным компонентам, предназначенным для построения интерфей-

сов, даны рекомендации по применению и технической реализации интер-

фейсов.

Печатается по решению pедакционно-издательского совета

Таганpогcкого государственного радиотехнического университета

Рецензенты:

А.Н.Целых – д-р техн. наук, профессор, директор регионального (областного)

центра новых информационных технологий, проректор по информатике

ТРТУ;

Я.Е.Ромм – д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой информатики ТГПИ.

ISBN 5-8327-0205-0 © Таганрогский государственный

радиотехнический университет, 2005

CОДЕPЖАHИЕ

ВВЕДЕHИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1. ИНТЕРФЕЙСЫ "точка-точка" . . . . . . . . . . 8

1.1. Интерфейс "токовая петля" . . . . . . . . . . 8

1.2. Интерфейс RS-232 (UART) . . . . . . . . . . 22

1.3. Интерфейс SPI . . . . . . . . . . . . 36

2. ИНТЕРФЕЙСЫ "ближнего радиуса действия" . . . . . 42

2.1. Параллельные интерфейсы . . . . . . . . 42

2.2. Беспроводные интерфейсы . . . . . . . . . 45

2.2.1 Оптический интерфейс IrDA . . . . . . . 45

2.2.2. Интерфейсы с радиоканалом . . . . . . . 53

2.3. Приборный интерфейс I2C . . . . . . . . .. 61

2.4. Приборный интерфейс 1-W . . . . . . . . . 81

2.5. Высокоскоростной интерфейс LVDS . . . . . . 91

3. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ МНОГОТОЧЕЧНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ .99

3.1. Интерфейс RS-485 . . . . . . . . . . . . 99

3.2. Интерфейс USB . . . . . . . . . . . . . 119

4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ . . . . . . . . . . 144

4.1. CAN сети . . . . . . . . . . . . . . 145

4.1.1. Физический уровень CAN сети . . . . . . 146

4.1.2. Канальный уровень CAN сети . . . . . . . 149

4.1.3. CAN HLP протоколы . . . . . . . . . . 155

4.1.4. Средства

реализации CAN технологии . . . . 159

4.2. Сети PROFIBUS . . . . . . . . . . . . 182

5. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИНТЕРФЕЙСНЫЕ СРЕДСТВА . . 191

5.1. Компоненты гальванической изоляции . . . . . . 191

5.1.1. Изоляторы с оптической связью . . . . . 192

5.1.2. Изоляторы с емкостной связью . . . . . . 201

5.1.3. Изоляторы с трансформаторной связью . . . 207

5.1.4. Изоляторы с магниторезисторами . . . . . . 219

5.1.5.Изоляторы с элементом Холла . . . . . . . 224

5.2. Оптоволоконные

приемопередатчики . . . . . . 228

5.3. Модули сотовой связи . . . . . . . . . . 243

ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . 249

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК . . . . . . . 251

Книгу о сущности машин должно прежде всего писать как

книгу об их применении...

Леонардо да Винчи.

Мадридский кодекс

ВВЕДЕНИЕ

Распространение новых информационных технологий, основанных на

достижениях микроэлектроники последней четверти ХХ века, привело к зна-

чительным изменениям в самых различных областях. Применение новых

средств и технологий обработки данных позволило существенно расширить

функциональные возможности и сложность решаемых задач в системах ав-

томатизации. В настоящее время системы автоматического управления могут

эффективно решать задачи на уровнях, начинающихся от управления отдель-

ными узлами и устройствами и заканчивающихся управлением технологиче-

скими установками и целыми производствами.

Эти достижения основаны на широком применении цифровых алгоритмов

и средств обработки данных. Вес и роль аналоговых средств существенно

снизились в силу недостаточной точности, стабильности, функциональной

гибкости и технологичности.

Основная область применения аналоговых уст-

ройств – предварительная обработка сигналов для преобразования в цифро-

вой формат.

Одним из важнейших факторов прогресса в средствах автоматизации яв-

ляется “интеллектуализация” устройств, включая и устройства, выполняю-

щие наиболее простые функции: измерительные датчики, исполнительные

устройства, средства сигнализации и т.п. Кроме необходимых основных

функций "интеллектуальные" технические

средства могут реализовать мно-

жество вспомогательных, зачастую более сложных алгоритмов преобразова-

ния данных при относительно невысоких дополнительных затратах. Эта

функциональная избыточность позволяет использовать при решении разно-

образных задач одни и те же технические средства, несмотря на различие

требований, реализуемых алгоритмов и функций. Очень часто выбор опреде-

ленных параметров, режимов и алгоритмов

работы программируется, т.е.

определяется специальными процедурами настройки.

Общеизвестно, что наиболее эффективно создание не отдельных локаль-

ных систем управления, а комплексных многоуровневых систем. На первом

уровне производится управление отдельными узлами и элементами, контрол-

леры первого уровня работают под управлением следующего, второго уров-

ня. Координация работы элементов этого уровня также должна

производить-

ся находящимся над ним следующим уровнем и т.д. Такие системы управле-

ния становятся распределенными как по решаемым задачам, так и по месту

нахождения. Конечно, алгоритмы работы систем управления при переходе от

уровня к уровню существенно изменяются, и это предъявляет разные требо-

вания к техническим средствам. Тем не менее,

существует много общих или

подобных задач, которые решаются на разных уровнях, и поэтому различия в

технических средствах могут быть не слишком существенными.

Весьма важным элементом в работе средств управления стала организа-

ция надежного обмена данными между различными уровнями, в пределах

одного уровня и даже внутри отдельной локальной системы. Очевидно, что

эффективность взаимодействия элементов систем управления в значительной

степени зависит от эффективности обмена данными. Именно поэтому в со-

временных системах управления уделяется большое

внимание этим вопро-

сам. При этом следует учитывать, что усложнение алгоритмов организации

передачи данных в большинстве случаев не вызывает особых проблем, а вы-

бор физических каналов связи в значительной степени влияет на технико-

экономические характеристики. В целом, требования, предъявляемые к сред-

ствам передачи данных весьма противоречивы, и поиск рационального реше-

ния

является разумным компромиссом между этими противоречиями.

Существенно облегчает построение средств передачи данных высокий

уровень стандартизации в этой области[1-3]. В настоящее время существуют

разнообразные стандартные телекоммуникационные технологии. Эти техно-

логии включают и алгоритмы организации передачи данных, и средства реа-

лизации алгоритмов вплоть до физических каналов связи и передаваемых по

ним сигналам

. Как правило, ведущие мировые производители выпускают

электронные компоненты, необходимые для реализации стандартных техно-

логий передачи данных. Кроме того, различные функциональные модули,

предназначенные для систем автоматического управления, содержат встро-

енные средства передачи данных. От применяемых средств и алгоритмов ор-

ганизации обмена данными существенно зависят общие технико-

экономические характеристики, поэтому их выбор

требует самого серьезного

внимания.

Совокупность средств, необходимых для организации обмена данными,

принято называть интерфейсом [1]. Общий интерфейс обеспечивает инфор-

мационную, электрическую и конструктивную совместимость элементов лю-

бой системы. Информационная совместимость предполагает использование

общих форматов данных, алгоритмов управления, способов кодирования, ад-

ресации и т.п. Электрическая совместимость предполагает согласованность

параметров используемых сигналов,

линий связи, временных характеристик

и т.д. Конструктивная совместимость – использование стандартных конст-

руктивных элементов: разъемов, конструктивных модулей и т.п.

В обобщенном виде вопросы согласованной работы элементов распреде-

ленных систем преобразования информации рассматриваются в модели

взаимодействия открытых систем – модели OSI [1-3]. Обеспечение инфор-

мационной совместимости в основном можно отнести к задачам канального

уровня модели OSI, а электрическая и конструктивная совместимость – это

классические функции физического уровня. Таким образом, интерфейсы

включают решение задач этих двух уровней модели OSI и должны содержать

средства этих двух уровней, необходимые для реализации эффективного об-

мена данными.

Для классификации интерфейсов можно использовать различные призна-

ки: топологию связей, форматы и режимы передачи данных, функциональное

назначение, логическую организацию и т.д. В средствах автоматизации ос-

новной классификационный признак – функциональное назначение. Осталь-

ные характеристики интерфейсов можно рассматривать как вторичные

, обес-

печивающие требуемые функциональные свойства.

В настоящее время применяются интерфейсы различного функционально-

го назначения: от простых интерфейсов "точка-точка" для симплексного об-

мена данными с датчиками или исполнительными устройствами локальных

систем управления до телекоммуникационных технологий промышленных

сетей. Например, средства SIMATIC NET (Siemens) содержат AS-интерфейс

– упрощенную технологию локальной сети для обмена данными между

кон-

троллерами управления, датчиками и исполнительными устройствами; сеть

PROFIBUS – классическую технологию промышленных сетей для обмена

данными между локальными системами управления и их элементами; Indus-

trial Ethernet – технология компьютерных сетей для обеспечения информаци-

онного взаимодействия верхних уровней распределенных систем управления.

Следует отметить, что интерфейсы с параллельным форматом данных,

например, приборные интерфейсы IEEE-488, CAMAC [1] в настоящее время

применяются редко из-за большого числа линий связи для обмена сигналами.

В современных интерфейсах применяются алгоритмы сетевых телекоммуни-

кационных технологий, и поэтому практически всегда используется после-

довательный формат данных и общий канал связи для нескольких устройств.

1. ИНТЕРФЕЙСЫ "точка-точка"

Двухточечные интерфейсы в основном разработаны в рамках применяе-

мых достаточно длительное время стандартов и в настоящее время необхо-

димы для работы с широко распространенными техническими средствами.

Например, интерфейс RS-232 (стандарт EIA) COM-порта персонального

компьютера (PC) поддерживается многими устройствами, хотя существует и

более эффективный интерфейс USB. Следует также учитывать, что совре-

менные многоточечные интерфейсы требуют реализации более сложных ал-

горитмов обмена данными. Кроме этого, основанная область применения

двухточечных структур – интерфейсы передачи аналоговых сигналов. В ана-

логовых интерфейсах, без преобразования сигналов в цифровой формат, при-

емлемой альтернативы пока нет.

1.1. Интерфейс "токовая петля"

Основная область применения – передача аналоговых сигналов на рас-

стояние

до десятков метров (рис. 1.1). При передаче стандартных токовых

сигналов, например 4-20 мА, меньше влияние помех и параметров линий свя-

зи. Этот интерфейс широко применяется в различных аналоговых датчиках

(давления, температуры и т.п.). Ненулевое начальное значение токового сиг-

нала (i(X)=4 мА при X=0, см. график на рис. 1.1) используется для контроля

работы интерфейса: ток

менее 4 мА – признак неисправности.

Рис. 1.1. Аналоговый интерфейс "токовая петля"

В приемниках интерфейса токовые сигналы обычно преобразуются в на-

пряжения (преобразователи ток-напряжение) для дальнейшего преобразова-

ния в цифровой формат (рис. 1.1). Необходимо учитывать, что входное со-

противление приемника (Rвх, рис. 1.1) не должно превышать определенной

максимальной величины. Чем меньше величина Rвх,

тем меньше погрешно-

i(X)

Аналоговый

датчик

Преобразователь

ток/напряжение

АЦП

Rвх

Rлс

i(X)

4 мА

20 мА

Rлс

сти, связанные с передачей сигнала по линии связи. Погрешности преобразо-

вания, определяемые параметрами элементов приемника, должны минимизи-

роваться применением прецизионных компонентов. Кроме аналогового токо-

вого сигнала интерфейс не содержит каких-либо других средств обмена дан-

ными.

Дополнительные функции можно реализовать применением цифровых

коммуникационных средств. Например, протокол HART в дополнение к то

ковому аналоговому сигналу позволяет передавать поток цифровых данных

для выполнения функций управления. Протокол HART реализован в устрой-

ствах децентрализованной периферии ET200iS SIMATIC (Siemens). К анало-

говому сигналу "токовой петли" 4-20 мА для передачи цифровых данных до-

бавляются двухчастотные токовые сигналы ("1" – 1200 Гц, "0" – 2200 Гц, ам-

плитуда переменного тока 0,5 мА) с нулевой постоянной составляющей.

Применением фильтров сигналы можно

разделить, обеспечивая их полную

независимость. В "интеллектуальных" периферийных модулях кроме переда-

чи аналогового сигнала протокол HART позволяет обеспечить выполнение

стандартных дополнительных функций: управление параметрами и режима-

ми, диагностика, отображение информации о параметрах и режимах и т.п.

Несмотря на ограниченные возможности, области применения интерфей-

са остаются достаточно широкими, так как существует

большое число датчи-

ков – преобразователей различных физических величин в аналоговые элек-

трические сигналы. Для построения средств передачи и преобразования ана-

логовых сигналов по интерфейсу "токовая петля" многие ведущие фирмы

выпускают специальные интегральные микросхемы. Применение этих инте-

гральных микросхем существенно упрощает решение всех задач, связанных с

преобразованием аналоговых сигналов. Эти микросхемы позволяют

созда-

вать не только приемопередатчики токовых сигналов, но и прецизионные

преобразователи сигналов для датчиков различных типов.

В таблице 1.1 приведен перечень микросхем для построения интерфейса

“токовая петля”, выпускаемых фирмой Texas Instruments (TI). Эта информа-

ция, также как и последующие примеры применения этих микросхем, подго-

товлены на основе информационных материалов фирмы TI [www.ti.com].

Таблица 1.1