Схема концентратора четырех rs485 для оптоволоконной связи на модулях стандарта sfp без программатора

Адрес документа:

http://90.189.213.191:4422/temp/sintep_v5_2/sintep_v5_2.doc    инд: 2-114-5   

Адрес архива схем

http://shabronov_s2.dyn-dns.ru/temp/sintep_v5_2/var5.zip

 

Аннотация:

-          Представлена  схема передачи-приема четырех каналов rs485 через оптический кабель на основе форм-фактора стандартного оптического  модуля sfp.

-          Схема «концентрирует», «сжимает» низкоскоростные до 115 к-бит.с,  каналы  rs485 и передает их в канал связи на оптическом кабеле.

-          Схема выполнена на базовых элементах вычислительной техники: счетчики, компараторы, регистры, логические элементы без микропроцессоров для исключения затрат на программирование и увеличения ремонтопригодности.

-          Схема доступна для повторения или модификации всеми желающими и предназначена для сокращения трудозатрат при повторении подобных задач связи.

-          Алгоритм функционирования, используемые элементы и схемные решения не содержат принципиальной новизны и известны в радиотехнической литературе со дня появления первых микросхем серии ТТЛ-ДТЛ.

-          Автор только соединил известные компоненты в один узел.

-          Схема выполнена по заказу горно-рудной компании и имеет гальваническую развязку  для эксплуатации в наземных сооружениях и подземных выработках шахт и рудников, в том числе опасных по газу и пыли.

 

Cодержание.

·        Схема концентратора и характеристики составных блоков;

·        Практическая реализация на печатной плате  и 3d модель;

·        Выводы;

 

Схема концентратора и характеристики составных блоков.

Структурная схема связи с использованием предложенной схемы концентратора представлена ниже на рисунке.

 

Далее на рисунке представлена схема концентратора.

 

 

Схема разделена цветовыми разделителями с указателями S1..S5   Блок S5 разделен на составляющие элементы и обозначен S5.1 … S5.10

-          Блоки S1..S4 одинаковые, и предназначены для согласования и разделения сигналов rs-485.  Каждый блок питается от своего преобразователя, и таким образом гальванически разделен от других блоков.

 

Рассмотрим схему «согласователя-разделителя» интерфейса RS485 на примере блока S1, который представлен ниже на рисунке.

·        Передача-прием в RS485 осуществляется по 2-м проводам. Обозначается D+ D- или на U4 А B.

·        F3 F4 и D3 D4 –  диоды и предохранители  предназначены для защиты  от импульсов и бросков напряжений на длинных линиях входных цепей U4-А-B.

·        Элемент U4 это микросхема sr485  , которая специально предназначена для управления переходом направления информации RS485.

·        Передача информационных кодов по пути XP2  U4-A-B - U4-RO -  R5 – V02 вызывает включение оптопары и принимаемый сигнал открывает-закрывает выходной транзистор оптопары.

·        Прием информации проходит по пути: включение оптопары  V01 от тока по R3 – U6.1-U6.2 U4-Di- U4-A-B. При приеме включается контрольный светодиод и блокируется по цепи U6.3 – U4-RE-DE цепь обратной связи. Таким образом принимаемый сигнал не может пройти обратно на передачу, а идет только на XP2

·        Блокировка происходить чуть раньше, чем проходит сигнал, т.к. сигнал проходит через 2-а элемента 2И-НЕ U6.2 U6.1  Сигнал блокировки проходит через один элемент U6.3

·        Cигнализация передачи информации и состояния питания выполняется  светодиодами с разными цветами:

o       Горит один светодиод - есть питание,  он начинает мигать, если идет передача от XP2.

o       Мигает второй светодиод – есть прием информации и передача этой информации  в XP2.

 

Сигналы от 4-х RS485  поступают на блок S5.1, где формируется один групповой сигнал.

С выхода S5.1 сигнал группы 4-х каналов поступает на  S5.2 - блок "манчестерского" кодирования и далее на блок S5.3 - формирователь парафазного вида сигнала, для передачи на оптический SFP модуль.  Схема всех 3х блоков S5.1 S5.2 S5.3  представлена ниже на рисунке.

·        Элементы  U25,  U26 - синхронные двоичные счетчики 555ие10. Элемент U21.4 выполняет роль обратной связи и ограничивает счет для четырех каналов rs485.

·        Элемент U31.1 типа  мультиплексер, 555кп11 и предназначен для сдвига подключенных входных каналов rs485 на один канал по кольцу. Это необходимо при работе в режиме шлейфа, что бы передаваемые сигналы RS485  не приходили обратно.

·        При замыкании разъема J5 перемычкой:

o       выход для канала 1 1Y переключается на вход канала 4

o       выход для канала 2 2Y переключается на вход канала 1

o       выход для канала 3 3Y переключается на вход канала 2

o       выход для канала 4 4Y переключается на вход канала 3

и таким образом передаваемая информация возвращается на другие каналы этого же концентратора. Нет "защелкивания" и передачи на "самого себя"

Без перемычки на J5 каналы RS485 принимаются на U30 мультиплексер 555кп7 в виде, соответствующем для приема на свой же вход.

Ниже, на рисунке представлены диаграммы сигналов на счетчике U25, которые передаются  на мультиплексер U30.

·        В интервале Start - на выходе U30-Z всегда значение 0, т.к. вход I0 мультиплексера U30 подключен постоянно на 0, т.е. на землю.

·        В последующих интервалах К1...К4  входы I1,I2,I3,I4  передаются на выход U30-Z и там может быть и 0 и 1.

·        В интервале Stop - на выходе U30-Z всегда значение 1. Входы I5,I6,I7 подключены постоянно через R29 на +5в.

·        Таким образом, выходной групповой сигнал в себе содержит постоянную информацию  и переменную информацию. По постоянной информации происходит синхронизация группы при приеме. Переменная информация содержит данные передаваемых каналов RS485.

·        Для  микросхемы типа 555кп7 допускается группировать до 6 каналов RS485. Однако, требуется увеличить число входных цепей и изменить декодер приема.

 

Вероятность ошибки "концентратора" связана с тактовой частотой входного генератора и скоростью передачи канала RS485.

Например, для скорости 115кбит в секунду, каналы RS485 передаются с тактовой скоростью для одного бита около 8 микросекунд.

В этом случае, для частоты в 20 мгц, задающего генератора данной схемы, получаем интервал группового опроса  2.4 микросекунды. Т.е. не менее 3х раз проводиться опрос в группе. Таким образом краевое искажение исходного тактового интервала составляет 20..30%, что вполне хватает для устойчивого приема.

Рассмотрим расчет тактового интервала группы для этих условий.

·        20 мгц - период сигнала  Т=50 нс - U26-CLK;

·        U26-CLK - T=50нс;

·        U26-Q0 - T=100нс;

·        U26-Q1, U25-CLK - T=200нс;

·        U25-Q0 - T=400нс   * 6 =  2.4 микросекунды;

Ниже на рисунке показан  принцип выборки для  формирования группы из 4х каналов RS485.

Квадратиками с разной цветовой гаммой и штриховкой показаны времена опроса, выборка  каналов и кодировка Start-Stop.

 

С блока формирователя группы, групповой сигнал поступает на элементы 2И-НЕ U32 - cхему кодирования в "манчестерский код". На выводе U32.2-6  групповой сигнал закодирован. Разъем J4 позволяют проконтролировать сигнал до кодирования и после кодирования.

"Манчестерское кодирование" - это передача сигнала 0 - переходом сигнала из 0 в 1, и передача сигнала 1 - переходом сигнала из 1 в 0. Т.е. вместо уровня 0 или 1 в тактовом интервале, передаем в тактовом интервале  переход из 0 в 1 или наоборот.  Это позволяет сжать спектр сигнала для дальнейшей передачи через SFP по оптическому кабелю. Ниже, на рисунке приведен пример кодирования  для кода Start-0-1-1-1-Stop.

 

·        Блок S5.3 выполнен на элементе U28 микросхема sr485  для перехода от однополярного вида сигнала, к парафазному. Такой тип сигнала необходим для работы модуля SFP. Ниже на рисунке показаны диаграммы на выводах U28.

·        Выходной сигнал U28-A-B  зашунтирован сопротивлением R30 в 47 ом для согласования с входным сопротивлением SFP модуля. Такое же сопротивление установлено и для приема от SFP модуля.

·        Блок S5.4  - генератор с использованием кварцевого резонатора  на элементах 2и-не U21 микросхема 555ла3. Для надежного "возбуждения" генератора, выбрана частота в 10 мгц.

·        Однако, желательно для  получения требуемых параметров "концентрирования"  максимально возможная частота работы для выбранного типа микросхем. Поэтому установлен умножитель на 2, выполненный на микросхеме 555лп5 элемент U22 - блок S5.5

·        Получаемый тактовый сигнал   поступает на блок передачи S5.1  и на блок S5.7 - приема группы   и блок S5.8  декодера манчестерского кода.

·        Блок S5.6 - схема параметрического стабилизатора напряжения на 3.3 вольта с током питания 200..300 миллиампер  для питания SFP модуля.  Мощность рассеивания диодов D12 D11 и рабочая точка, определяемая сопротивлениями R15 R16, формирует требуемый режим питания SFP модуля.

·        Блок S5.9  выполнен на элементах 2И-НЕ U10 обеспечивает индикацию работы SFP модуля. Индикация передачи информации по SFP модулю и состояние питания выполняется  светодиодами с разными цветами:

o        Горит один светодиод - есть питание  и  есть передача в оптический канал SFP модуля;

o        Включается  второй – есть прием информации от SFP модуля с противоположной стороны;

·        Разъем J2  предназначен для формирования режима проверки. Если замкнуть выводы разъема J2 перемычкой, то передаваемый сигнал поступит на вход приемника U10.1-в2  и таким образом вернется обратно к исходным блокам S1..S4  Необходимо так же  включить и перемычку на J5. 

·        В режиме проверки сигнал стандарта RS485 передается на 1-й вход и этот же сигнал должен приниматься на 4-ом входе. И соответственно: передаем на 2-ой  вход получаем на 3-ем, передаем на 3-ий получаем на 4-ом, передаем на 4-ый получаем на 1-ом.

·        Блок S5.10 - принимает парафазный сигнал от SFP модуля и переводит его в однофазный. Выполнен на элементе U9 микросхема sr485  .

 

Рассмотрим схему декодирования "манчестерского кода" блок S5.8 подробнее. Схема декодера представлена ниже на рисунке.

 

 

·        Входной сигнал в "манчестерском коде" и в противофазе поступает на  счетные входа CLK 2-х D-триггеров,  элемент U8 микросхема 555тм2. "Противофазность" создает элемент U10.2 Таким образом, один D-триггер фиксирует переход 0->1 а другой 1->0

Ниже на рисунке показаны диаграммы основных сигналов    декодера "манчестерского кода".

 

·        После фиксации перехода 0-> или 1->0  выполняется задержка на 3/4 от тактового интервала. Затем снова входные триггеры готовы  к приему информации.

·        Групповой сигнал формируется на RS-триггере, который выполнен на элементах 2И-НЕ U7.3 U7.4 

·        D-триггер U3.2 работает в режиме RS-триггера, т.е. меняет свое состояние по входам R и S.  Как только, входные триггеры U8 зафиксируют перепад, смениться состояние RS триггера U7.3 U7.4 а через элементы 2И-НЕ  U7.2 U7.1  на вход CLR произойдет переключение триггера U3.2 и он на выходе Q  уровнем 1 разрешит работу D-триггеров U3.1 U5,1 U5,2  а на выходе /Q - вернет входные триггера U8 в исходное состояние и останется в таком положении.

·        Это состояние запрета приема информации входных триггеров U8 будет продолжаться пока не придет сигнал 0 от выхода /Q   U5.1  и триггер U3.2 вернется в обратное состояние. Тем самым разрешается прием следующего перепада "манчестерского кода".

·        Счет 3-х D-триггеров выполняется в течении 6 периодов тактового генератора, что соответствует 3/4 от длительности интервала одного канала.

·        На выводах разъема J1 сформированный сигнал  присутствует в противофазе. Это позволяет определиться  с фазой группового сигнала  и проконтролировать работоспособность декодера "манчестерского кода"

·        Приведен пример декодирования сигнала Start-0-1-1-1-Stop, т.е. тот,  что был в примере кодирования.

 

Полученный декодированный групповой сигнал  поступает на декодер группы блок S5.7 Рассмотрим его работу подробнее. Схема  представлена ниже на рисунке.

·        Входной групповой сигнал поступает на U19.1  регистры сдвига микросхема типа 555ир1 и на RS-триггер, выполненный на элементах 2И-не U15.3 U15.4

·        RS-триггер при появлении сигнала Start, а это всегда сигнал 0 включается и разрешает прохождение тактовых импульсов. Таким образом, начинается прием и декодирование группы. Показаны ниже основные диаграммы декодера.

·        Поскольку кодируется четыре RS485, то для декодирования достаточно четырехразрядного регистра  сдвига и параллельной загрузки. Выбраны микросхемы типа 555ир1, режим работы этих регистров определяется по входу MODE. Если 0 - то режим сдвига, если 1 - то загрузка по отрицательным перепадам импульсов на входе соответствующего CLK.

·        Выходные сигналы декодированные из группы, это уровни принятых сигналов интерфейса RS485. Через ограничительные сопротивления, включаются оптопары и сигналы передаются в соответствующий выходной канал.

Практическая реализация на печатной плате  и 3d модель.

Вид печатной платы со стороны установленных элементов ниже на рисунке и рядом ее 3d-модель.

 

 

Вид печатной платы снизу и ее 3d-модель.

  

 

Печатная плата в 3d-модели в gif-формате.

Выводы.

 

Автор - Шабронов Андрей Анатольевич   тс.  +7 913-905-8839     e_mail -  shabronov@ngs.ru  

ред. 8-6-2017.

    Успехов и здоровья!