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

Подождите немного. Документ загружается.

2.5. Высокоскоростной интерфейс LVDS

Интерфейс LVDS – технология передачи данных дифференциальными

сигналами малых напряжений ( Low Voltage Differential Signaling ). Для пере-

дачи сигналов используются малые перепады дифференциального напряже-

ния ( до 350 мВ ) на двух линиях печатной платы или симметричного кабеля

(рис. 2.40). Малые перепады напряжений и токовый выход передатчика обес-

печивают малый уровень шумов и небольшую потребляемую мощность при

скорости

передачи данных до сотен мегабит в секунду на расстоянии до де-

сятков метров. Первоначально интерфейс создавался для конфигураций "точ-

ка-точка", но допускаются и многоточечные конфигурации: один передатчик

– много приемников. Интерфейс разработан фирмой National Semiconductor и

был утвержден как стандарт ANSI/TIA/EIA-644. Стандарт не определяет ло-

гическую организацию, алгоритмы управления и форматы данных.

Рис. 2.40. Интерфейс LVDS

Стандарт интерфейса LVDS определяет электрические характеристики

физического уровня, ряд параметров не задаются жестко, что позволяет варь-

ировать их в определенных пределах для разных областей применения. Мак-

симальная скорость передачи данных зависит от типа линий связи и ее дли-

ны. Линия связи должна быть симметричной (незаземленной) и согласован-

ной с

резистором-терминатором на конце линии, рекомендуемое волновое

сопротивление – 100 Ом. Предполагается, что линией связи могут быть сим-

метричные проводники печатной платы или витая пара. Так как интерфейс

предназначен для высокоскоростной передачи данных, характеристики всех

компонентов должны строго соответствовать установленным требованиям.

Передатчик формирует в линии связи токовые посылки одинаковой ам-

плитуды 3,5 мА

и разных направлений для 0 и 1 (рис. 2.40). Для стандартного

терминатора сопротивлением 100 Ом – амплитуда импульсов напряжения

350 мВ (допустимый диапазон 250 – 450 мВ), длительности фронтов до 1,5

нс. Скорость передачи данных может достигать 655 Мбит/с, теоретический

Симметричная линия связи

+5 B

I=3,5 mA

Передача "1"

Передача "0"

Передатчик

TxD

RxD

Приемник 1

Терминатор

100 Ом

RxD

Приемник 2

предел (при идеальной линии связи) – 1,9 Гбит/с. В настоящее время выпус-

каются различные интерфейсные интегральные схемы для реализации LVDS.

LVDS-канал состоит из передатчика, LVDS-приемника и соединительных

линий — среды передачи, которая соединяет выход передатчика с входом

приемника. Достигаемые скоростные параметры LVDS-канала определяют-

ся, кроме параметров приемника и передатчика, еще и соответствием среды

передачи идеальным параметрам стандарта. При полном соответствии всех

параметров легко достигается определенная стандартом скорость 622 Мбит/с.

Мало того, уже существуют данные реальных тестовых испытаний, на кото-

рых достигается максимально возможная скорость передачи, превышающая 1

Гбит/c. Такие параметры достигаются при максимальном приближении к

требуемым по стандарту значениям параметров среды передачи.

Среда передачи

LVDS-канала состоит из трех элементов — соединитель-

ных линий на печатной плате, разъемов, соединяющих печатную плату с ка-

белем, или печатные платы между собой, и кабеля, по которому передаются

LVDS-сигналы. Возможны варианты отсутствия одного или нескольких из

этих элементов (параметры улучшаются) или повторения нескольких элемен-

тов (параметры ухудшаются). Но в любом

случае все составляющие среды

передачи, от выхода LVDS-передатчика до входа LVDS-приемника, должны

образовывать согласованную систему с определенными параметрами. В табл.

2.6 приведены основные электрические параметры LVDS-интерфейса.

Таблица 2.6

Параметр Наименование Мин. Макс. Ед. изм.

Дифференциальное вы-

ходное напряжение

247 454 мВ

Опорное напряжение 1.125 1.375 В

Изменение VOD 50 мВ

Изменение VOS 50 мВ

, I

Ток короткого замыкания 24 мА

Продолжение табл. 2.6

Параметр Наименование Мин. Макс. Ед. изм.

, t

Длительность выходного

фронта/ спада для скоро-

сти 200 Мбит/c

0.26 1.5 нс

, t

Длительность выходного

фронта/ спада для скоро-

сти < 200 Мбит/c

0.26

30 % от

ширины

бита

нс

Входной ток приемника 20 мкА

Изменение напряжения ±100 мВ

Диапазон входного на-

пряжения

0 2.4 В

Наиболее простые микросхемы LVDS-интерфейса [www.ti.com]состоят из

одного или двух приемников и одного или двух передатчиков (рис. 2.41.

2.42). Выводы DE и RE предназначены для активизации или запрещения пе-

редатчика и приемника.

a) б)

Рис. 2.41. Функциональные схемы SN65LVDS179 (а),

SN65LVDS180 (б)

а) б)

Рис. 2.42. Функциональные схемы -SN65LVDS050 (а),

SN65LVDS051 (б)

LVDS-передатчик SN65LV1023A состоит из входного регистра “защелки”

и преобразователя 10 битного параллельного кода в последовательный, а

SN65LV1224A представляет собой LVDS-приемник, состоящий из преобра-

зователя последовательного 10-битного кода в параллельный и выходного

регистра “защелки”. С помощью пары этих микросхем легко реализовать уд-

линитель параллельного

10 битного порта (рис. 2.43). Максимальная тактовая

частота, поддерживаемая микросхемами, находится в пределах от 10 МГц до

66 МГц.

LVDS-устройства SN65LVDS93 и SN65LVDS94 предназначены для по-

строения удлинителя параллельного порта до 16 бит (рис. 2.44). Их функцио-

нальные схемы приведены на рис. 2.45 и рис. 2.46 соответственно. Полный

список микросхем LVDS-интерфейса фирмы Texas Instruments содержит не-

сколько десятков различных устройств, с

ним можно познакомиться на сайте

[www.ti.com].

Интегральные схемы LVDS фирмы MAXIM: MAX9110/ MAX9112 - од-

но/двух- канальные драйверы линий связи LVDS с ультра- низким диффе-

ренциальным фазовым сдвигом импульсов в корпусах SOT23; MAX9111/

MAX9113 - одно/двух- канальные приемники линий связи LVDS с ультра-

низким фазовым сдвигом импульсов в корпусах SOT23; MAX9157 - четырех-

канальный шинный LVDS трансивер; MAX9159 -двухканальный приемник

линий связи LVDS.

Рис. 2.43. Удлинитель 10-битного параллельного порта

Рис. 2.44. Удлинитель 16-битного параллельного порта на основе двух ИС LVDS

Рис. 2.45. Функциональная схема LVDS-передатчика SN65LVDS93

Рис. 2.46. Функциональная схема LVDS-приемника SN65LVDS94

3. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ МНОГОТОЧЕЧНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ

3.1. Интерфейс RS-485

Ранее широко распространенный интерфейс RS-232, кроме стандарт-

ности разъемов и сигналов, имеет жестко заданный алгоритм обмена и сетку

стандартных скоростей, его функциональные возможности также весьма ог-

раничены. Протокол RS-485 является стандартом интерфейса физического

уровня и разработан в соответствии с требованиями современных технологий

передачи данных. Интерфейс RS-485 поддерживает многоточечные

соедине-

ния, использует симметричную линию связи и дифференциальные сигналы,

обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 (для стандартного

входного сопротивления 12 кОм) и передачу на расстояние до 1200 м. Ис-

пользование повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи

еще на 1200 м или добавить еще 32 узла. Интерфейс RS-485 поддерживает

полудуплексную связь при топологии "общая шина" (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Интерфейс RS-485

Алгоритм управления интерфейсом должен исключать одновременную

работу двух передатчиков. Дифференциальные сигналы, формируемые пере-

датчиком в симметричной линии связи (витой паре), могут быть амплитудой

от ±1,5 В до ±5 В с синфазной составляющей для приемников от -7 В до

+12В. В примере (рис. 3.2) показаны уровни сигнала в проводниках линии

связи при

передаче двоичной последовательности 1011101.

Симметричная линия связи

Терминатор

120 Ом

Терминатор

120 Ом

GND

RxD

TxD

GND

RxD

TxD

GND

RxD

TxD

100

Рис. 3.2. Сигналы в линии связи

Уровни сигналов на порядок выше, чем в LVDS (единицы В). Это требу-

ет соответствующего повышения мощности приемопередатчиков и ограни-

чивает на меньшем уровне максимальную скорость передачи сигналов. Как

уже указывалось, протокол RS-485 не определяет алгоритмы взаимодействия

при передаче данных. Это позволяет применять этот интерфейс как универ-

сальное средство физического уровня в существующих телекоммуникацион-

ных технологиях. Применение определенных алгоритмов управления пере-

дачей данных может накладывать какие-либо дополнительные ограничения

на параметры интерфейса. Например, управление доступом к общей линии

связи (алгоритм "Token bus") для предотвращения одновременной работы не-

скольких передатчиков требует следующего ограничения скорости:

максимальная длина сегмента в зависимости от скорости

скорость передачи (кбит/с) 9,6-187,5 500 1500 12000

длина сегмента (м) 1000 400 200 100

Так как многие устройства поддерживают логическую организацию ин-

терфейса UART, для использования RS-485 выпускают ИС преобразователей

интерфейса, например МАХ1480/МАХ1490. Это позволяет существенно

расширить возможности стандартного интерфейса UART микроконтролле-

ров, не изменяя его логическую организацию. Пример структуры сообщения

для такого применения интерфейса приведен на рис. 3.3.

Отсутствие ограничений на логическую организацию в RS-485 позволяет

также использовать его с любыми протоколами канального уровня. Напри-

мер, в комплексе средств SIMATIC NET (Siemens) RS-485 – это реализация

физического уровня для протоколов AS и PROFIBUS.