Передача 4-х независимых rs-485 каналов через оптокабель для объектов класса РОО (Рудничный – Очень - Опасный)

Адрес документа:

http://90.189.213.191:4422/temp/sintep_v2/sintep_v2.doc инд: 2-94-2 … /foto_dan1/

Содержание:

• Анализ
• Вариант решения задачи на логических микросхемах по принципу мультиплексирования сигналов

Анализ

В подготовке c 3-10-2016

• Выбор элементной базы приемников-передатчиков Волоконно-оптические линии связи http://nauchebe.net/2011/01/optovolokonnye-priemoperedatchiki/
• ЛАЗЕРНЫЕ МОДУЛИ ДЛЯ ВОЛС http://www.symmetron.ru/suppliers/fti/lfo.shtml
• http://www.symmetron.ru/suppliers/fti/lfo-14-ip_rus.pdf

• Фотоприемные модули для ВОЛС http://www.physicexperts.ru/pexps-374-1.html
• 
• MAX3710 MAX3710 - оптический приемопередатчик
• Линейка удлиннителей
• I-2541 Конвертер RS-232/422/485 в оптический канал ST (Multi-Mode) 183.86 USD
• ADAM-4541 http://insat.ru/prices/info.php?pid=1298

· http://www.efo.ru/cgi-bin/go?494 другие модули 20:53 02.10.16

· сбор имс под задачу синтепа микросхема W7100A

· http://www.mt-system.ru/catalog/interfejsnye-moduli-i-mikroshemy/kompanija-wiznet/mikroshemy-dlja-postoroenija-setej-ether-2

· http://www.efo.ru/cgi-bin/go?6020

· купить https://www.einfo.ru/store/W7100/

· http://www.chipfind.ru/news/novie_resheniya_dlya_provodnih_prilozheniy_etherne.htm

Вариант решения задачи на логических микросхемах по принципу мультиплексирования сигналов.

• Для передачи 4-х независимых канала rs-485 по одному оптическому каналу требуется эти каналы «объединить» передать и «разделить». Одним из известных способов подобного решения - способ мультиплексирования, можно перевести как «многопереключательный» способ.
• Предлагаемый вариант использует старт-стопный метод тактовой синхронизации выбранной группы. В нашей задаче группа - это 4-е независимых канала rs-485.
• Блочная схема системы представлена ниже на рисунке.

• Два блока приема-передатчика имеют одинаковую, симметричную структуру. Блоки предусмотрены заменяться взаимно.

Рассмотрим блочную схему по элементам:

• Передатчик, объединитель группы, получает сигналы от буферных элементов rs-485 и формирует из них общую группу из 6 последовательных сигналов.

• Диаграммы принципа работы передатчика объединителя группы, представлены выше на рисунке.
• 1-й сигнал тактовый – всегда логический =0=. Сигналы со 2-го по 5-й – от каналов соответственно с 1-го по 4-ый rs-485 и 6-й сигнал – всегда логическая =1=.
• Расчет для группового времени в 200 нс, показывает, что искажения не превышают 2.5%. Известно, что теоретически краевые искажения для старт-стопного метода передачи исправляются до 30% от тактового интервала. Ниже на рисунке показана степень краевых искажений относительно единичного сигнала старт-стопной группы.

• Выбранное значение группового времени передачи имеет более чем 10 кратный запас по формированию ошибки краевого искажения и его исправления.
• Для приведенного выше примера, тактовый генератор должен иметь длительность То = 200 нс / 6 ~ 33 нс т.е. частота тактового генератора примерно 33 мгц.
• Если снизить требования по краевому искажению в 2а раза, т.е. установить групповую передачу в 400 нс, то частота тактового генератора определяется – То = 400 нс / 6 ~ 66нс, в 15..16 мгц.
• Желательно, максимально увеличить количество групп, для уменьшения краевого искажения. Приведенные расчеты показывают предельные требуемые частотные условия для выбора элементной базы.
• Буферные элементы выполняют разделения направления сигналов. Предполагается использовать серию маx3440. Типовая схема включения приведена ниже на рисунке

Принципиальная схема передачи группы сигналов 4-х каналов rs-485 приведена на рисунке далее:

• Микросхема мультиплексора 555кп7 (зарубежный аналог 74LS151 ) в зависимости от типа исполнения имеет задержку перехода с высокого уровня на низкий или обратно от 15…до 40 нс . Считаем что средняя задержка будет 20 нс.
• Исходя из выше приведенного расчета, определяем тактовую частоту в 10 мгц. В этом случае То = 100 нс и сигналы q1 q2 q3 – кратны 200 нс. Получаем запас на краевые искажения для работы мультиплексора кп5 20нс/200нс = 1/10
• Значение 1/10 дает характер работы мультиплексора. 90% времени сигнал на выходе соответствует выборке и 10% времени – происходит переключение. Следовательно, суммарный групповой от 4-х каналов rs-485 выходной код достоверен на 90%.
• Краткое назначение элементов. D1.1-1.3 - генератор сигналов То. Кт1 – контрольная точка для проверки и установки требуемой длительности.

• Счетчик D2.1 выполняет формирование сигналов с разной длительностью кратной двум. Сигналы с выхода q2 и q4 поступают на элемент 2и-не D1.4 и ограничивают работу счетчика в 6 тактовых интервалов, согласно выбранному количеству каналов объединения в группу.
• Микросхема счетчика D2 555ие19 (зарубежный аналог 74LS393N ) содержит два независимых счетчика. Второй может использоваться в приеме, при оптимизации схем и приемника и передатчика. Максимальная допустимая частота входных сигналов для счета до 20 мгц, что достаточно для работы объединителя по заданным условиям в 10 мгц.
• Для наглядности оптический канал показан как опто-пара. А так же, можно его заменить и физической парой.

Принципиальная схема приемника группы и разделителя сигналов 4-х каналов rs-485 приведена на рисунке далее:

• Используется генератор с большей частотой, т.к. он задает значащий интервал определения кода в группе. И желательно иметь максимально большую частоту для большей точности определения.
• Микросхема счетчика D3 555ие19 (зарубежный аналог 74LS393N ) содержит два независимых счетчика. Используется два счетчика, включенные последовательно. Выход D3.1 q2 соответствует сигналу тактового считывания в групповой комбинации, которая состоит из шести тактовых интервалов в То=200нс.
• Работает микросхема счетчика 555ие19 на максимально возможной частоте. Если потребуется увеличить число каналов, желательно данный счетчик реализовать на более быстродействующих элементах.

• Микросхема регистра D4 555ир8 (зарубежный аналог 74LS164N ) выполняет преобразование последовательной группы в параллельный код.
• Элементы 2и-не D2.2 D2.3 образуют RS-триггер. При первом сигнале логического нуля, т.е. кода старта, триггер включается. На выходе триггера формируются сигналы, разрешающие работу регистра D4 и счетчика D3
• Выключение триггера выполнят сигнал от D6 , который появляется после 6-го тактового интервала c дополнительным смещением по времени, которое формируют логические элемент 4и-не D6. Таким образом, заканчивается прием группы.
• Пока не появиться новый стартовый интервал, счетчик D3 и сдвиговый регистр D4 вновь находятся в исходном состоянии и ожидают приема очередной группы.
• Код группы на выходе регистра D4, нельзя сразу передавать на буферные элементы, т.к. код формируется, и правильная комбинация возникнет только при стоповом тактовом интервале.
• Микросхема регистра D5 555ир1 (зарубежный аналог 74LS95N ) формирует схему «защелкивания» кода. Триггеры устанавливаются в то состояние, которое было при их опросе на передаче и далее выхода триггеров переключают требуемые каналы rs-485.

Ниже на рисунке показаны диаграммы основных точек приемника разделителя групп.

• На схеме контрольные точки обозначены в штриховых квадратах, например точка 3.
• S- тактовый сигнал, всегда логический ноль, К- тактовый сигнал, всегда логическая единица. Между ними находиться группа данных от 4-х rs-485.
• На диаграмме показана передача кода S-1-1-0-0-K и затем передается код S-0-1-0-1-K. Сигналы кодов обозначены более толстыми линиями. В этих интервалах могут быть как, логический ноль, так и логическая единица.
• И напоминание, значение стартового интервала S- всегда логический ноль, и значение стопового интервала K – всегда логическая единица.
• Сигнал для записи из регистра сдвига D4 в регистр хранения D5 формируется схемой совпадения 4и-не D6, точка 15. Условием записи выбрано время в средине тактового интервала K со сдвигом на интервал четверть от To.

• Сформированный сигнал поступает на тактовый вход С2 микросхемы D5 через элемент 4и-не D6 , точка т15. Перепад с 1 в 0 выполняет запись данных из сдвигового регистра D4 в регистр хранения D5.
• Выхода регистра хранения D5 непосредственно устанавливают выходные данные буферов rs485 для получателя.

Рассмотрим режим входа в синхронизацию, при первом включении или обрыве питания.

• При включении схемы передатчик сразу начинает работать и формировать групповые посылки в оптический канал. Независимо есть или нет информация на входах rs-485.
• Необходимо выполнить условие передачи только сигнала старта S.
• Все описания схем приводились без точного определения начального состояния на входах rs485. Для более наглядного отображения считалось, что сигнал логического нуля, это отсутствие данных на rs485.
• Реальный rs485 – это два провода с инвертированным состоянием. Поэтому для разрабатываемой схемы важно не потерять фазу информации, а логический ноль или единица работает с микросхемой мультиплексора – это зависит от схемы устройства.
• Вид передаваемого кода для синхронизации приемника информации показан ниже на рисунке.

• Если включить приемник, то при любом попадании на прием, произойдет синхронизация при первом стартовом интервале S.
• Если включение попадает на логическую единицу, то стартовый триггер не включиться. Как только придет логический ноль, то триггер включит генератор и будет работать счетчик. Работа счетчика прекратиться в средине интервала K.
• При обрыве питания, так же необходимо предусмотреть возможность восстановления синхронизации путем прекращения передачи данных по группируемым каналам.
• Кроме того, планируется в схеме ввести кнопку «Сброса», которая будет кратковременно отключать информационные каналы и передавать в оптический канал только сигналы синхронизации.

Анализ по предложенной реализации задачи:

• Приведенная схема избыточна и требует минимизации. Например, можно использовать один кварцевый генератор и для приема и передачи. Кроме того, автор допускает, что есть ошибки в логике работы микросхем или в их управляющих полярностях для выбранного метода уплотнения и передачи сигналов. Для этого существуют отладочные стенды.
• Автор ранее выполнил реализацию приемника по данному способу связи и поэтому предложил подобную схему и с передатчиком.
• Предложенная метод и схема имеет ограничения на максимальные скорости каналов RS-485. Требуется опытная проверка, насколько, краевые искажения могут повлиять для скоростей 115кбит и выбранных условий мультиплексирования в 200 нс.
• Расчеты и выбор частот проводился для 10 кратного превышения степени помехи, хотя теоретически хватает в 2..3 раза. Существует много способов повысить помехозащищенность при низком качестве канала связи, но в данном случае требуется соблюсти и ТЗ по РОО.
• Предлагаемая элементная база, может внести ограничения на скорость передачи-приема при данном методе уплотнения и требуемой степени помехозащищенности.
• Предложенная схема «самосинхронизируется», только при условии отсутствия сигналов и наличии только стартового и стопового сигнала. Это создает особенности при эксплуатации и аварийных режимах.
• Одним из плюсов данной схемы является возможность введения проверки исправности путем контроля по длинному шлейфу. Этот режим можно ввести в конструкцию схемы.
• Метод проверки с использованием компьютера и usb-rs485 адаптеров показан ниже на рисунке.

• В предложенной схеме и описании не отражен вопрос оптического канала. Это требует отдельной проработки и изучения оптических линий связи, пригодных по условиям ТЗ.
• Предполагается использование «одномодовых» оптических коннекторов, с учетом ТЗ.
• Предлагаемая реализация планируется отлаживаться и минимизироваться без использования оптических линий. Достаточно 2-х физических пар.
• Затем добавляются оптические элементы, и проверяется их возможность, конструкция и требования по ТЗ.
• И только затем выполняется окончательная конструктивная разработка.
• Примерный срок подготовки платы для испытания 1..3 месяца, по условиям договорных отношений и наличию требуемой элементной базы у поставщиков.

Редакция 14-10-2016

Подготовил Шабронов А.А. тс 913-905-8839 shabronov@ngs.ru