Девиз темы: «Птица поет - сама себя продает»

Оптимизированная схема концентратора 4*rs485 для оптоволоконной связи на модулях стандарта sfp без программатора

Адрес документа:	http://90.189.213.191:4422/temp/sintep_v5_2v2/sintep_v5_2v2.doc инд: 2-123-4
Адрес архива схем	http://shabronov_s2.dyn-dns.ru/temp/sintep_v5_2v2/shemas/ Дубль1
Адрес общих тестов	http://90.189.213.191:4422/temp/sintep_v5/DCON_Utility_Pro_PC_test_MOD_all/

Аннотация:

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

- Схема «концентрирует», «сжимает» низкоскоростные каналы rs485 до 115 к-бит.с и передает их в канал связи на оптическом кабеле. На противоположной стороне та же схема выполняет обратное преобразование.

- Автор изменил способ кодирования со «старт-стопного» на «широтно-импульсный», что позволило убрать блок группирования и, соответственно, уменьшить количество элементов по сравнению с предыдущим вариантом;

Cодержание.

· Схема концентратора и характеристики составных блоков;

· Практическая реализация на печатной плате и 3d модель;

· Литература;

· Выводы;

Схема концентратора и характеристики составных блоков.

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

· Принципиальная схема концентратора представлена далее на рисунке.

· На схеме детально показан только один канал rs485, остальные три обозначены блоками.

· Структура оптимизированного концентратора повторяет исходную схему:

o четыре входных блока приема, предназначены для согласования и разделения сигналов rs-485. Каждый блок питается от своего преобразователя, и таким образом гальванически разделен от других блоков.

o Блок формирования группового сигнала, выходной сигнал, которого передается на модуль SFP;

o Блок декодирования группового сигнала принимает сигнал от модуля SFP и преобразует его в сигнал rs485;

o Генератор, задающий опорные сигналы кодирования и декодирования с частотой 14 мегагерц;

· В данной реализации используется кодирование, условно названное автором «широтно-импульсным методом».

· Смысл метода в том, что значение логического 0 rs485 передается интервалом в два раза большим, чем значение логической 1, а блок кодируемых данных начинается большим интервалом и передается количеством меньших интервалов;

· Ниже показана передача 4-х блоков со значениями 3, 5, 0, 0xF;

· Концентратор рассчитан для уплотнения 4-x каналов rs485 и следовательно в тактовый интервал опроса может быть всего 16 комбинаций.

· Необходимо помнить, что ноль так же является информационным кодом и поэтому максимально передается 15 интервалов единиц;

· Для преобразования достаточно счетчика на 4-е разряда U16, который и формирует количество посылок меньшего интервала. Больший интервал формируется D-триггером на U18.2.

· Зависимость входных кодов 4х каналов rs485 от кодовой последовательности, передаваемой в модуль SFP, показана ниже на рисунке;

· Мультиплексер U15 выполняет формирование интервалов от счетчика импульсов U13;

· Cформированный сигнал синхронизируется на приеме по, всегда передаваемому, интервалу бита 0 и далее подсчитывается количество бит 1, которые записываются в выходной регистр.

· Следует заметить, что схема передатчика меняет полярность интервала 0 в зависимости от предыдущего состояния бит 1, но оставляет неизменным длительность данного интервала. Эту функцию обеспечивает триггер обратной связи U18.1

· На приеме длительность сигналов бита 0 и 1 определяется по подсчету интервала между фронтами импульсов. Выделение фронтов выполняет схема на исключающем =ИЛИ= U8. Показано ниже на рисунке.

· Комбинационная схема приемного блока на элементах U4, U9, U10 подсчитывает количество выделенных коротких фронтов и по появлению длинного интервала выполняет запись числа импульсов в выходной регистр данных U7 и таким образом передается информация в каналы rs485;

· Блокировка обратной связи приема с передачей выполняется в каждом канале индивидуально и используется транзистор типа n-p-n. Если принимается сигнал 0 от противоположной стороны, т.е. от SFP, то транзистор открывается и блокирует обратную передачу для микросхемы ретранслятора U6.

· Транзистор открывается быстрее, чем переключение в микросхеме на прием 0, и тем самым блокируется обратная передача в канал SFP. Прием из RS-485 и последующая передача на SFP возможна, только если нет сигнала 0 по приему.

· Для декодирования требуется частота в два раза большая, чем при формировании выходного сигнала. Удвоение частоты выполняется на элементе исключающее =ИЛИ= U2.

· При частоте генератора в 14 мегагерц, получаем тактовый интервал ~ 71 наносекунда для Тинтервала=1.

· Худший случай, когда максимально надо передать код числа 16, это 71*2 + 71*15=142+1065=1207 наносекунд, или 1.2 микросекунды. Следовательно, для скорости в 115 к-бит/cек. имеется битовый интервал примерно ~8.6 микросекунд. Таким образом, восстановление осуществляется не менее чем 8.6/1.2= ~7 раз. В процентах получаем не менее 70% от исходного интервала, что гарантированно восстанавливается последующим преобразованием старт-стопного сигнала rs485.

· Лучший случай, когда передается код числа 0, это 142 наносекунды. Получаем 8.6/0.14=~61 раз, а это <95% от исходного сигнала.

· Сигнализацию принимаемой информации выполняет светодиод D3;

· Сигнализацию подключения SFP и получение группового сигнала выполняет светодиод D2;

· Для питания модуля SFP используется специально созданная для таких целей микросхема LM1117;

3d модель печатной платы

· Схема концентратора выполнена на печатной плате. 3d модель представлена ниже на рисунке-gif. Справа фото отладочной комплекта из двух плат с подключенными SFP модулями.

· Поскольку элементов в оптимизированной схеме меньше и плата получилась несколько меньше;

· Автор обращает внимание, что топология схемы и используемых элементов не критична к исполнению. В архиве приводится топология со смешанным исполнением. В конструкции используются элементы и DIP и SOIC. Что было на складе, то и включено в печатную плату.

· К сожалению, некоторые элементы, например 155ИР1, сейчас не выпускаются и приходится использовать складские запасы. Хотя, оказалось очень удобной, микросхема 1533ИЕ19, которая содержит сразу два двоичных счетчика;

· В приведенном варианте оптимизации автор использовал «базовых» элементы. Следовательно, данную схему можно изменить для использования аналогичных элементов и сохранить логику обработки сигналов;

· Диаграммы на выводах микросхем счетчиков достаточно просто получаются из приведенного метода формирования кодового сигнала и поэтому автором не приводятся;

Литература и электронные источники

· Описание стандарта rs485 Адрес1, Адрес2, Адрес3

· Описание схемы концентратора 4*rs485 http://90.189.213.191:4422/temp/sintep_v5_2/

· Стандарт SFP Адрес1 , Адрес2 , Адрес3

Выводы.

§ Предложенная схема и техническое решение убирает одну из самых трудоемких задач, программирование микропроцессора, что позволяет снизить цену изделий связи по оптоволокну.

§ Схема оптимизирована на использование метода «широтно-импульсного» кодирования, что позволило уменьшить количество элементов;

§ Допускается работа каналов связи RS485 на разных скоростях, без стандартизации скорости передачи, даже постоянный уровень;

§ Приведенная схема проверена «в железе», доступна для использования всеми желающими, и предназначена для сокращения трудозатрат при проектировании систем с гальванической развязкой и снижении «цены вопроса» подобных систем.

§ Данная схема и файлы печатной платы подготовлены в среде DipTrace 2.4.0.2 Full portable. Архив данной работы продублирован на облачном хранилище по адресу:    https://cloud.mail.ru/public/UPoq/Rjj9phW2D

§ Автор оставляет за собой право на модернизацию конструкции печатной платы и схемных элементов при возникновении новых ТЗ от заказчиков.

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

ред. 2018-5-15.

Успехов и здоровья!