Схема ретрансляции на один rs485 для оптоволоконной связи на модулях стандарта SFP без программатора

Адрес документа:	http://90.189.213.191:4422/temp/sintep_v5k1/publicas/sintep_v5k1_pub.doc инд: 2-117-1-1
Архив схем	http://90.189.213.191:4422/temp/sintep_v5k1/publicas/plata_rs485optika_v2_n1u.zip

Аннотация:

- Представлена схема ретрансляции канала rs485 через оптический кабель на основе форм-фактора стандартного оптического модуля sfp;

- Схема кодирует исходный сигнал 2-х частотным кодом и передает далее в канал связи на оптическом кабеле;

- На приеме выполняется обратная операция декодирования 2-х частотного кода;

- Для выбранной частоты кварцевого генератора допустимая скорость ретрансляции RS485 возможна от 1 бита до 500 кбит в секунду;

- Выбранный метод кодирования малочувствителен к фазовым искажениям сигналов, что увеличивает надежность ретрансляции;

- Схема выполнена на базовых элементах вычислительной техники: счетчик, триггер, логический элемент 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 и за соответствующее вознаграждение снизит затраты Вашей задачи связи.

Cодержание.

· Пояснения по схеме ретранслятора;

· Практическая реализация c универсальным питанием на печатной плате и поставка;

· Исторически-шпионский экскурс для уточнения в заголовке статьи термина: "без программатора" разрешается не читать.

· Выводы;

Пояснения по схеме ретранслятора

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

Структура cвязи: на входе блока один RS485, на выходе оптический кабель. На противоположной стороне - входит оптический кабель и выходит линия RS485. Линии двунаправленные, согласно стандарта RS485.

Далее на рисунке представлена принципиальная схема ретранслятора.

Схема содержит 8 микросхем базовых элементов вычислительной техники:

· sp485-1 - выполняет разделение направления передачи приема в соответствии с сигналами управления, подаваемыми на входы 2,3.

· D1.1-1.3 , 555ла3. Задающий генератор на 10 мегагерц.

· D2 - микросхема 555ие19, состоящая из 2-х одинаковых асинхронных счетчиков на четыре разряда;

· D3 - микросхема 555тм2: два D-триггера приема информации;

· D4 - микросхема 555тм2: два D-триггера передачи информации;

· D5 - микросхема 555ла3, в которой логические элементы 2И-НЕ выполняют модуляцию передаваемого сигнала RS485;

· sr485-2 - согласование уровней ТТЛ с парафазным входом модуля SFP для передачи сигнала RS485;

· sr485-3 - согласование уровней ТТЛ с парафазным выходом модуля SFP для приема сигнала RS485;

Элементы питания, согласования с SFP и защита RS485 не представляют принципиальной новизны, и автором не приводятся в данном тексте.

Рассмотрим прохождение данных для передачи в оптический кабель.

· Передача-прием в RS485 осуществляется по 2-м проводам. Обозначается D+ D- или на sp485-1 А B.

· Передача возможна, только если нет ответного принимаемого кода. Контроль приема выполняет D-триггер D4-1. На входе С- вывод 11 постоянно присутствуют импульсы от счетчика передачи D2-1-q4, вывод 9, ретранслируемые через элемент 2И-НЕ D5-4. Если нет приема, то на входе D- вывод 12 высокий уровень, и такой же уровень появляется при каждом тактовом сигнале на выходе Q. Инверсный выход ~Q находиться в уровне 0, и этот уровень разрешает работу sp485-1.

· Сигнал от RS485 проходит на вывод 1 sp485-1 и далее на вход D триггера D4-2.

· Триггер D4-2 выполняет функцию синхронизации входных сигналов и сигналов кодирования. На входе С - вывод 3 поступают импульсы счетчика передачи, и выходные уровни Q и ~Q управляют выходом 2х частотного сигнала.

· Элементы D5.1...5.3 переключают на передачу сигнал q2 или q4, который имеет разницу частоты в два раза. Таким образом, при сигнале 0 кодируется одна частота, а при сигнале 1 - другая.

Ниже на рисунке показаны диаграммы сигналов на выходах счетчика, формируемые для передачи.

Рассмотрим тракт приема и декодирования 2-х частотного сигнала.

· Прием информации проходит по пути: микросхема sp485-3, D3-2, sp485-1.

· Декодирование 0 или 1 осуществляется методом фиксации длительности 2-х частотного сигнала. Счетчик D2-2 по входу R, вывод 2 начинает считать импульсы тактового генератора при уровне 0.

· Длительность уровня 0 продолжается с двумя возможными значениями, равными коду передаваемого сигнала. Т.е. или 0 или 1.

· Триггер D3-1 фиксирует значение на выходе принимаемого счетчика. Если длительность уровня 0 продолжается для сигнала 1, то сигнал фиксируется триггером. Для длительности сигнала 0 счетчик включается всегда, и следовательно, сбрасывать триггер в исходное состояние не требуется.

· Запись полученного кода выполняется переходом уровня 0 в 1 входного сигнала. Триггер D3-2 фиксирует состояние триггера D3-1, которое зависит от длительности передаваемого сигнала. Кроме того, уровень 1 устанавливает счетчик D2-2 в исходное состояние для приема следующего бита информации.

· Декодированный сигнал логического 0 или 1 информации RS485 c выхода Q поступает через sp485-1 в линию.

Ниже на рисунке показаны диаграммы сигналов при декодировании.

· При ретрансляции контрольные светодиоды VD1..VD3 сигнализируют о прохождении информации. Удобно использовать двухцветные светодиоды с малым током свечения тип FYLS-0603BURC или аналог. Но можно и отечественные АЛ307Б.

Вероятность ошибки ретранслятора связана с тактовой частотой задающего генератора и скоростью передачи канала RS485.

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

В этом случае, для частоты в 10 мегагерц задающего генератора данной схемы получаем тактовый интервал сигнала 1 или 0 двухчастотного кодирования 100нс*8 = 0.8 микросекунды.

Следовательно, 2х частотный сигнал передается за 8 микросекунд не менее 8/0.8= 10 раз.

Таким образом, краевое искажение исходного тактового интервала составляет менее 10%, что вполне хватает для устойчивого приема.

Практическая реализация на печатной плате с универсальным питанием.

§ Схема реализована на печатной плате с возможностью использование SMD или DIP компонентов. Вид печатной платы ниже на фото.

§ Вид 2-х печатных плат в сборе с SFP без защитных кожухов ниже на фото. Питание от USB- порта.

§ Подключение через патч-корд EX9C-2P2u тип: 12742 pt SC 9/125 2*1m

§ Тип SFP APSB43013xxL20

На печатной плате возможно установить несколько вариантов внешнего питания:

· От usb-a вид разъема как у флешки памяти или usb-b (квадратный), рисунок ниже. Необходимо учитывать потребляемый ток схемы до 200 миллиампер и соответственно возможности и длину шнура usb;

· Если требуется гальваническая развязка RS485, то устанавливается преобразователь DSDS типа PFKC05-12S05 , фото ниже на рисунке.

Применяется внешнее, не стабилизированное питание 18..15 вольт.

· Возможно применение внешнего не стабилизированного источника питания 18..6 вольт. В этом случае на плату устанавливается стабилизатор 142EН5А или LM317T. Микросхемы стабилизаторов имеют корпус ТО220 и дополнительно закреплены на радиаторах.

Поставку готовой комплектации выполняет ООО НПК "КОМЕТА"

Исторически-шпионский экскурс для уточнения в заголовке статьи термина: "без программатора" разрешается не читать.

· Источник 1 сообщает: http://liniya-mass.livejournal.com/20387.html

Так, в 1982 г. на газопроводе "Уренгой-Сургут-Челябинск" произошел огромный взрыв, который стал итогом спецоперации западных спецслужб. В ПО по управлению работой газопровода спецслужбы внедрили троянские вирусы. В частности, в одной из западных компаний КГБ приобрел программу для автоматизации работы газопровода (АСУ ТП и SCADA). Программа управляла насосами, турбинами и другими ключевыми приборами перекачки газа. ПО установили на некоторых газопроводах в СССР, некоторое время программа работала нормально. Однако при отработке одного из режимов тестирования встроенный вирус привел к нештатному режиму работы оборудования, что привело к разрыву газопровода и последующему взрыву. Официальных подтверждений об участии спецслужб в диверсии нет, однако на сайте ЦРУ на странице "Досье прощание" указано, что разработанные ЦРУ программы и чипы нарушали планы производства на химических предприятиях и тракторном заводе в СССР, такие ПО использовали в советской военной технике, а на газопроводе были установлены дефектные турбины.
Нужно напомнить, что по данным Национальной ассоциации участников электронной торговли, в список пяти наиболее востребованных поставщиков российских госзаказчиков входят американские Microsoft и Oracle. По итогам 2013 г. Microsoft заработала на российских госзакупках 11,34 млрд руб., Oracle - 3,2 млрд руб. Минкомсвязи накануне предложило включить в проект постановления правительства об ограничении закупок иностранного ПО статью, по которой при закупках ПО за госсчет должно присутствовать условие обязательной работы ПО по всей стране, включая Крым и Севастополь. Шаг хороший, но предложение министерства всего лишь ставит условия для иностранных производителей ПО, речи об отказе от такого ПО не идет.

А что делают другие страны в этой области? В сентябре 2003 г. Госсовет Китая принял постановление, запрещающее государственным учреждениям закупать иностранное ПО. Кроме того, в августе 2014 г. власти страны запретили использование продуктов Apple в госструктурах. В частности, госслужащим запрещено пользоваться планшетами iPad и iPad Mini, а также компьютерами MacBook Air и MacBook Pro. В мае 2014 г. Правительственный центр закупок Китая запретил использовать операционную систему Windows 8 на настольных компьютерах, ноутбуках и планшетах, приобретаемых для госорганов. Подобные меры приняли и в Индии.

· Источник 2 сообщает https://habrahabr.ru/post/208390/

Высокоточные станки запрещено перемещать без разрешения производителя. На форуме Practical Machinist развернулось феерическое обсуждение, как можно разблокировать ЧПУ-фрезер, который отказывается функционировать после перемещения на новое место. Производитель оснащает станок GPS-сенсором и/или гироскопом. В случае перемещения станок автоматически блокируется до получения кода разблокировки. Топик-стартер на Practical Machinist объясняет, что их компания купила восемь ЧПУ-фрезеров Mori/Ellison NV5000A, а вскоре перевезла их на другой завод. После этого оборудование вышло из строя. Фирма-производитель объяснила, что таково новое требование американского законодательства и все будущие модели ЧПУ-фрезеров высшего класса будут блокироваться при перемещении на новое место. Пользователь выражает возмущение такой «залочкой» станков на конкретные координаты. Он считает, что после покупки станка может делать с ним что угодно. Другие коллеги на форуме подтвердили, что аналогичная функция с GPS-блокировкой присутствует и на других ЧПУ-фрезерах высшего класса японского производства, в том числе на фрезерах Citizen. Говорят, изменения в законодательстве приняли после того, как одного из японских производителей уличили в нелегальном экспорте высокоточного оборудования в Иран и Северную Корею, нарушая эмбарго. Некоторые даже вспомнили скандал с поставкой в СССР станков Toshiba в середине 80-х, что позволило наладить производство высококачественных винтов для подводных лодок, кардинально улучшив их акустические профили.

· Источник 3 сообщает http://morgulis.tv/tajna-kompyuternoj-diversii-v-irane-nachinaet-otkryvatsya/

Тайна компьютерной диверсии в Иране начинает открываться. С помощью компьютерной диверсии был обнаружен (а затем уничтожен в 2007 году) ядерный реактор в Сирии, строившийся с помощью северокорейских и иранских специалистов. Высокопоставленный сирийский чиновник приехал в Лондон, а когда он вышел из номера пообедать, двое сотрудников Моссада проникли к нему в номер и вставили сирийцу в лэптоп “троянского коня”. Шпионская программа выловила с жесткого диска чертежи, фотографии, программы, имена и координаты корейцев и иранцев, работавших над проектом. ...

· Авторский анализ. Программы в микроконтроллерах и чипах можно сравнить с вирусами или с бактериями. Или ты перевариваешь пищу, или пища переваривает тебя. Или программа работает по твоей программе, или наоборот. Изделие для обработки данных с программой ВСЕГДА имеет возможность при изменении программы изменить и обработку данных. В любой PIC или AVR можно внедрить возможность действий по самим данным. Таким образом данные превращаются в программу. Откройте МОXU или ICP-CON, которые работают с приемом и передачей данных. И там есть микропроцессор. Это потенциальная угроза несанкционированных действий. В предлагаемом ниже изделии связи программ и несанкционированных действий нет.

Выводы.

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

§ Допускается работа каналов связи RS485 на разных скоростях без стандартизации скорости передачи, без программирования, т.к. сама схема не содержит элементов программирования;

§ Допускается передача аналоговой информации при включении соответствующих ЦАП-АЦП.

§ Схема построена на элементах 555 серии, а так же возможно использование и менее скоростных элементов, если ограничить скорость RS485;

§ Для увеличения скорости передачи необходимо использовать более быстродействующие элементы, например серию 1533;

§ 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/Fqqh/mAo3yGsFW

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

Успехов и здоровья!

ред. 2017-07-31