Способы реализации однопроводных систем

1. Компьютер и одно устройство ML##. Наиболее простой вариант построения однопроводной системы – это сопряжение персонального компьютера, который выступает в роли ведущего линии MicroLAN, с одним функциональным устройством ML##. Персональный компьютер в этом случае комплектуется адаптером ML97#-##. Такой адаптер подключается к нему через любой свободный последовательный COM-порт. Адаптер и устройство ML## связываются между собой с помощью обычного плоского четырехжильного телефонного кабеля, оформленного с обоих его концов стандартными телефонными вилками (джеками) типа RJ11 (6p4c). Такое соединение выполняется предельно просто благодаря наличию, в конструкциях и адаптера, и однопроводного устройства ML## любого типа, приемных разъемов-гнезд RJ11 (6p4c). Прокладка подобной линии связи должна выполняться по возможности вдали от силовых проводов, электромагнитных полей и иметь преимущественно линейную топологию. Построение подобной системы допустимо при условии, что используемое однопроводное устройство ML## рассчитано на возможность функционирования на паразитном питании. Протяженность однопроводной линии при этом может составлять ~50-80м. Пример: контроль температуры в одной точке с помощью любого из цифровых термометров семейства ML20#, или одновременный контроль температуры, относительной влажности и уровня освещенности благодаря сопряжению компьютера с микросистемой ML38H.

2. Компьютер и несколько устройств ML##. Более сложным является вариант многоточечной однопроводной сети с паразитным питанием, допустимый при организации системы из небольшого числа функциональных устройств ML## (10-20шт.). В качестве ведущего однопроводной сети в этом случае также выступает персональный компьютер, укомплектованный одним из адаптеров линии MicroLAN класса ML97#-##. Однако, в этом случае адаптер соединяется тем же телефонным кабелем сразу с несколькими ведомыми 1-Wire-компонентами, реализованными на базе функциональных устройств ML##, различных типов, которые могут работать на паразитном питании. Точнее непосредственно адаптер ML97#-## соединяется только с одним приемным генздом ближайшего к нему однопроводного устройства ML##. Однако, благодаря наличию в составе конструкции любого функционального устройства ML## двух, параллельно включенных приемных разъемов-гнезд RJ11 (6p4c), размещенных на торце их корпуса, структура однопроводной линии в виде общей шины может быть легко реализована, благодаря соединению отдельных функциональных устройств ML## между собой отрезками плоского телефонного кабеля необходимой длинны, оформленных с обоих концов стандартными телефонными вилками (джеками) типа RJ11 (6p4c). Общая протяженность однопроводной линии при этом может составлять ~30-50м. Пример: многоточечный контроль температуры с помощью нескольких цифровых термометров семейства ML20#.

3. Компьютер и множество широко территориально рассредоточенных устройств ML##. При построении поряженных однопроводных систем (60-150м), содержащих большое число устройств ML## самого различного класса (30-60шт.), один из проводников магистрали MicroLAN, реализованной в соответствии с принципами, изложенными в п.2, выделяется в качестве отдельной линии внешнего питания. Подача в энергии в эту линию осуществляется благодаря сопряжению однопроводной шины с сетевым блоком питания класса ML00#-xx-###. При этом, уровень напряжения внешнего питания, поступающего в подобную сеть, выбирается значительно большим уровня, необходимого для питания любых компонентов, входящих состав устройств ML##, что допустимо благодаря наличию в составе этих приборов специальных узлов преобразования внешнего питания. Сопряжение магистрали MicroLAN с блоком питания осуществляется либо благодаря специальным разветвителям телефонных розеток системы RJ11, либо через свободные приемные гнезда любого из устройств ML##, входящего в состав формируемой однопроводной системы.

Наличие энергии в однопроводной линии позволяет значительно улучшить ее общую помехоустойчивость, в том числе благодаря применению терминатора на конце магистрали MicroLAN. Для реализации функций терминатора может быть использована любая метка, содержащая встроенный узел пассивной подтяжки шины данных, например, ML01 или ML02. На проблемных линиях, содержащих большое количество однопроводных приборов ML##, характеризующихся значительной протяженностью и сложной топологией, рекомендуется использовать специализированную метку типа ML02a, которая помимо узла пассивной подтяжки содержит дополнительную согласующую RC-цепь.

Кроме того, в случае возникновения проблем с передачей информации в подобных однопроводных структурах, следует использовать программные методы обслуживания однопроводных элементов, которые могут быть реализованы благодаря выбору оптимального для каждой конкретной ситуации рабочего режима микросхемы DS2480B. Этот драйвер, предназначенный для обслуживания протяженных 1-Wire-линий, является неотъемлемой частью любого из адаптеров ML97#-##. С его помощью реализуется механизм управляемой активной подтяжки линии данных, а также обеспечивается возможность изменения временных соотношений и формы фронтов сигналов на магистрали MicroLAN, что позволяет оптимизировать работу используемого адаптера при обслуживании однопроводных линий с индивидуальными параметрами

Использование адаптера ML97G (будущая разработка), обеспечивающего надежное гальваническое разделение между землей компьютера, обычно гальванически соединенной с нейтралью сети его питания, и возвратным проводом магистрали MicroLAN, так же значительно снижает вероятность не устойчивой работы проблемной однопроводной линии построенной на базе устройств ML##.

4. Компьютер и несколько однопроводных веток с устройствами ML##. Достаточно часто при реализации сложных однопроводных систем встречаются ситуации, когда топология линии такова, что при ее реализации в виде общей шины длинна магистрали, значительно превосходит суммарную протяженность по сравнению с вариантом построения системы в виде отдельных лучей. В этом случае для организации однопроводной системы удобно использовать специальные устройства ветвления однопроводной линии или коуплеры типа ML09, а также однопроводные коммутационные элементы типа ML07. Применяя подобный подход можно организовать такую перестраиваемую систему, когда в каждый отдельный момент времени к мастеру может быть подключен только один из сегментов обслуживаемой сети, что значительно снижает в целом нагрузку на линии (количество подключенных абонентов, погонную емкость, общее сопротивление информационного канала и утечку изоляции) и соответственно вероятность возникновения неоднозначных ситуаций. При этом возможно два варианта реализации подобной структуры: с применением ветвителей ML09 для прерывания линии данных, и с применением ключей ML07 для прерывания возвратного провода. Первый вариант представляется более предпочтительным, т.к. при его реализации все устройства ML##, входящие в состав любой локальной ветви, но отключенные от основного ствола, всегда имеют внешнее питание, и соответственно функциональны. Кроме того, при использовании коуплеров ML09 возможна реализация вложенных многоуровневых ветвлений, сигнализация мастеру об аварийном состоянии на отключенной ветви, а также организация внешнего питания всех однопроводных устройств ML## любой локальной ветви от отдельного источника питания.

Особенно важна возможность применения подобных конфигураций при использовании в составе однопроводных систем автоматизации приемных устройств ML19BD (BlueDot), обеспечивающих взаимодействие мастера с приборами семейства iButton, которые могут быть предназначены, например, для обеспечения функций аутентификации или съема информации, накопленной автономной сетью MicroLAN. В случае подключения такого приемного зонда, через промежуточный коуплер ML09, отделяющий его от единого ствола однопроводной магистрали, разработчик устраняет опасность даже кратковременного замыкания линии данных, а, следовательно, увеличивает живучесть системы в целом.

Если протяженность и загруженность разветвленной сети MicroLAN все-таки остается критичной, коммутацию локальных ветвей можно организовать таким образом, чтобы обеспечить полное отключение всех обслуживаемых каждой из них устройств ML## от основного ствола однопроводной магистрали, используя при этом комбинированное включение ветвителей ML09 (коммутация шины данных) и ML07 (коммутация возвратного провода). В будущем планируется изготовление отдельного устройства ML09С (будущая разработка), которое одно должно выполнять подобные функции, а также обеспечивать возможность коммутации линии внешнего питания обслуживаемой ветви. Последнее обстоятельство особенно важно для однопроводных систем, в которых от линии внешнего питания получают энергию устройства (датчики, механизмы сигнализации, приводы замков и т.д.), обслуживаемые элементами ML##.

5. Строгая реализация общей шины для проблемных однопроводных систем на базе множества устройств ML##. Еще одним вариантом увеличения надежности и помехоустойчивости работы для перегруженных однопроводных систем на базе множества устройств ML## (100-200шт.), имеющих большую протяженность (150-200м) и сложную топологию, а так же проходящих через зоны сильных помех, является использование специальных методов реализации шины MicroLAN со строгой архитектурой общей линии. При этом выделяется общий непрерывный ствол сети, который прокладывается качественным кабелем типа UPT витая пара высокой категории (не ниже пятой) или лучше кабель IEEE1394 (Firewire). В случае высокой интенсивности электромагнитных помех рекомендуется использовать провод в экране. Каждое однопроводное устройство ML## подключается к подобному стволу через отдельную розетку класса RJ45 (например, KRONE (одиночная или двойная)), не прерывающую монотонную прокладку кабеля ствола для организации любого ответвления. При этом, каждый из проводников кабеля прокалывается внутри такой розетки с помощью специального ножевого разъема без разрыва жилы, отводя сигнал к выводам встроенного стандартного разъема-гнезда RJ45 (8p8c), к которому затем, уже с помощью отдельного патч-кабеля, длинной не более 0,5м, подключается однопроводное устройство ML##. Такой патч-кабель может быть оформлен с обеих сторон вилками системы RJ11 (они достаточно надежно фиксируются в гнездах RJ45), или же заделан несимметрично – на одном конце вилка RJ45, на другом RJ11. В качестве материала патч-кабеля может быть использован как плоский телефонный кабель, так и кабель UPT витая пара пятой категории.

Если используется экранированный кабель, то корд, удерживающий экранирующую фольгу, соединяется с экраном каждой розетки под винт, а также подключается к доступному выводу надежной физической земли, но только в одной единственной точки для всей однопроводной системы.

Особенно важно при организации подобной шины правильно обеспечить ввод энергии на линию внешнего питания с учетом того, что по стволу однопроводной магистрали может протекать значительный по величине суммарный ток, обеспечивающий питание внутренних узлов множества приборов ML##, а также обслуживаемых ими устройств. Для этого обычно используют отдельную клеммную или распаечную коробку, которую размещают в начале линии, рядом с розеткой подключения ведущего. В такой коробке надежно, под винт или методом пайки соединяют полюса выходного кабеля блока питания с возвратным проводом и проводом внешн>

Передача прервана!

С подобной структурой однопроводной линии могут органично сочетаться все приемы, перечисленные в п.2, п.3, п.4.

6. Однопроводные системы, ведомые микроконтроллерными устройствами. При реализации на базе устройств ML## любого из вариантов однопроводных систем, перечисленных в п.1-5, в качестве ведущего сети может быть использован не только персональный компьютер, но и не дорогой микроконтроллерный блок, что в целом значительно снижает общие затраты на подобную разработку. Если система построена на базе одного из микроконтроллерных блоков типа ML98#, то она может работать, получая энергию для собственного питания, а также питания устройств ML##, подключенных обслуживаемой линии, от внешнего трансформаторного источника ML00#-xx-###. При этом, под управлением программы, “прошитой” во внутренней памяти микроконтроллера, являющегося ядром блока ML98# любой модификации, выполняющего роль мастера однопроводной сети, может отрабатываться, к примеру, поддержание температурных уставок, предварительно введенных пользователем с клавиатуры этого устройства, сразу по нескольким петлям регулирования.

При использовании специализированного микроконтроллерного блока типа ML95T (будущая разработка), получающего энергию от элементов питания, размещенных в отдельном батарейном контейнере ML#AA#, подобная однопроводная система может работать полностью автономно. Такая мини-сеть может, например, накапливать информацию сразу от нескольких цифровых термометров ML20# в энергонезависимой памяти прибора DS1994, размещенного в элементе сетевого обрамления iButton типа ML19F, если это устройство включено в однопроводную систему. Причем благодаря наличию в составе “таблетки” DS1994, узла часов реального времени, каждому значению температуры, регистрируемому в энергонезависимой памяти этого прибора, может ставиться в соответствие временная метка. Выборка информации, накопленной подобной автономной системой может быть произведена с помощью “транспортной таблетки”, содержащей энергонезависимую память большой емкости, например, прибором DS1996. Таким же образом могут быть изменены внутренние установки, и даже алгоритм работы микроконтроллера мастера автономной мини-сети MicroLAN. Для обеспечения информационного контакта между “транспортной таблеткой” и однопроводной линией ведомой микроконтроллерным блоком, система должна иметь в своем составе универсальное приемное устройства ML19BD (BlueDot) обеспечивающее подключение приборов iButton.

7. Комбинированное решение с использованием распределенных микроконтроллерных устройств. Наиболее рациональным подходом, при реализации однопроводных систем автоматизации, построенных на базе устройств ML##, представляется использование сетей с комбинированной структурой. Примером, подобной реализации могут являться системы, организованные на базе микроконтроллерных блоков ML98D. При таком подходе каждое из устройств ML98D является с одной стороны мастером локальной однопроводной ветви MicroLAN, который обслуживает одно или несколько функциональных устройств ML##, реализованных по одной из схем, описанных в п.1-5. С другой стороны каждый из модулей ML98D может являться абонентом информационной сети более высокого уровня, организованной на принципах стандарта CAN или построенной на основании аппаратных принципов многоточечного интерфейса RS485. Таким образом, программа управления микроконтроллером каждого блока ML98D должна обеспечивать информационный обмен между медленными ведомыми локальными однопроводными ветвями, и более быстрой и надежной сетевой структурой верхнего уровня, которая в свою очередь сопрягается с персональным компьютером, выполняющим функции верхнего уровня системы, заключающиеся в реализации функций человеко-машинного интерфейса и архивировании собранной информации. Компьютер в этом случае комплектуется интеллектуальным адаптером системной шины и является равноправным участником подобной сети.

При такой системной организации обеспечивается наиболее оптимальное сочетание между достаточно близко территориально сосредоточенными объектами обслуживания, подключенными к устройствам ML## ведомыми локальными ветвями MicroLAN, и широко территориально рассредоточенными абонентами более помехоустойчивой сети, что обеспечивает наибольшую надежность при практических реализациях.

Системные магистрали CAN или RS485 могут быть проложены в соответствии с положениями, подробно перечисленными выше в п.5, с учетом специфики реализуемого интерфейса (обычно используется 8 проводной кабель (4 витые пары (с учетом линий передачи данных и линий питания гальванически развязанных узлов трансиверов или приемопередатчиков)), все используемые разъемы типа RJ45, обязательное терминирование концов линии согласующими сопротивлениями).

8. Локальная однопроводная подсистема в составе традиционной системы автоматизации. При построении традиционных систем автоматизации, имеющих сосредоточенную структуру, связанную с особенностями размещения оборудования в стойках (шкафах) и крейтах (блоках) УСО, для решения отдельных локальных подзадач могут быть использованы однопроводные структуры, организованные на базе одного или нескольких устройств ML##. При этом, в состав традиционной по конструкции системы интегрируются один или несколько интеллектуальных плат контроллеров-ведущих ветвей MicroLAN, которые обеспечивают информационный интерфейс между ресурсами основной системы (обычно с использованием стандартных периферийных интерфейсов типа SPI или I2C) и локальной однопроводной линией, решающей какие-либо частные подзадачи. Пример: подсистема контроля расхода воды в системе водоохлаждения, реализованная с помощью двухканальных устройств ML23, которые выполняют функции расходомеров благодаря автоматическому подсчету числа срабатываний герконов водосчетчиков вихревого типа, или подсистема измерения температуры холодного спая всех термоэлектрических преобразователей, обслуживаемых традиционной системой, с помощью цифрового термометра ML20#, размещаемого непосредственно в термопарной компенсационной коробке.

9. Однопроводные системы, реализуемые на базе TINI-board. Наиболее современным на сегодняшний день решением по организации удаленной однопроводной, сети построенной на базе устройств ML##, представляется шина MicroLAN, организованная по одной из схем, описанных в п.1-5, и ведомая платой TINI (Tiny InterNet Interface). TINI или TINI-board - это уникальный инструмент, поставляемый кампанией Dallas Semiconductor, и обеспечивающий возможность интегрировать 1-Wire-структуры и Интернет. Поскольку TINI-board содержит производительный микроконтроллер, к последовательному порту которого подключен драйвер DS2480B, она может выступать в качестве мастера проблемных линий MicroLAN, требующих для своего обслуживания активной подтяжки шины данных. Кроме того, благодаря значительным вычислительным ресурсам TINI-board работает под управлением специально разработанной операционной системы, которая включает в себя поддержку TCP/IP и Java VM. При этом на сегодняшний день уже имеется целый набор свободно-доступных процедур сопровождения устройств ML-##, которые реализованы на базе стандартных однопроводных компонентов, что существенно упрощает организацию взаимодействия на обслуживаемой магистрали MicroLAN.

Для обеспечения эксплуатации TINI-board должна быть установлена в специальный TINI SLOT, который выполняет функции сопряжения с однопроводной линией, а также защиты от возможных коллизий на ней, обеспечивает подключения платы к компьютеру, необходимое для загрузки в нее программы управления, снабжает ее энергией от внешнего блока питания и при может содержать расширение сегмента энергонезависимой памяти, необходимое для хранения накопленной информации.

Со стороны сети Интернет TINI-board может быть использована:

• либо в качестве web-сервера реального времени, отображающего информацию, фиксируемую устройствами ML## в момент запроса пользователя сети Интернет,
• либо в качестве шлюза между однопроводной системой и промежуточным web-сервером сети Интернет, который обеспечивает автоматическую визуализацию и архивацию информации, доступную для других пользователей Интернет,
• либо в качестве прибора-логгера, накапливающего данные в собственной памяти и затем пересылающего их по запросу легального компьютера, подключенного к сети Интернет.