Что понимается под интерфейсом передачи данных

Теоретическая часть. Интерфейсы передачи данных

Интерфейсы передачи данных

Цель работы:

Изучить интерфейс «токовая петля».

Изучить HART-протокол.

Изучить принцип работы HART и BRAIN коммуникатора.

Теоретическая часть

1.1 Интерфейс «токовая петля»

Интерфейс «токовая петля» используется для передачи информации с 1950-х годов. Первоначально в нем использовался ток 60 мА [Current]; позже, с 1962 года, получил распространение интерфейс с током 20 мА, преимущественно в телетайпных аппаратах. В 1980-х годах начала широко применяться «токовая петля» 4. 20 мА в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики. Популярность «токовой петли» начала падать после появления стандарта на интерфейс RS-485 (1983 г.) и в настоящее время в новом оборудовании она практически не применяется.

В передатчике «токовой петли» используется не источник напряжения, как в интерфейсе RS-485, а источник тока. По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки. Поэтому в «токовой петле» протекает ток, не зависящий от сопротивления кабеля , сопротивления нагрузки и э. д. с. индуктивной помехи (рис. 1.1), а также от напряжения питания источника тока (см рис. 1.2). Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.

Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения. Емкостная наводка , э. д. с. которой приложена не последовательно с источником тока, а параллельно ему, не может быть ослаблена в «токовой петле» и для ее подавления следует использовать экранирование.

В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.

На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления . При токе 20 мА для получения стандартного напряжения 2,5 В, 5 В или 10 В используют резистор сопротивлением 125 Ом, 250 Ом или 500 Ом соответственно.

Основным недостатком «токовой петли» является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля от источника тока. Например, при типовой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость кабеля составит 75 нФ. Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения 5 В необходимо время 19 мкс, что соответствует скорости передачи около 9 кбит/с. На рис. 1.3 приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажений (дрожания), который оценивался также, как и для интерфейса RS-485.

Вторым недостатком «токовой петли», ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0. 20 мА и 4. 20 мА; гораздо реже используют 0. 60 мА. В перспективных разработках рекомендуется использовать только диапазон 4. 20 мА, как обеспечивающий возможность диагностики обрыва линии.

Интерфейс «токовая петля» распространен в двух версиях: цифровой и аналоговой.

Аналоговая «токовая петля»

а)

б)

Аналоговая версия «токовой петли» используется, как правило, для передачи сигналов от разнообразных датчиков к контроллеру или от контроллера к исполнительным устройствам. Применение «токовой петли» в данном случае дает два преимущества. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью (погрешность «токовой петли» может быть снижена до ±0,05%). Кроме того, стандарт «токовая петля» поддерживается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации.

В варианте «4. 20 мА» в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (кабель имеет разрыв, если ток равен нулю) в отличие от варианта «0. 20 мА», где величина «0 мА» может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Вторым преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энергии датчику для его питания.

Принцип действия обоих вариантов состоит в том, что при бесконечно большом коэффициенте усиления операционного усилителя (ОУ) напряжение между его входами равно нулю и поэтому ток через резистор равен , а поскольку у идеального ОУ ток входов равен нулю, то ток через резистор строго равен току в петле ( ) и, как следует из этой формулы, не зависит от сопротивления нагрузки. Поэтому напряжение на выходе приемника определяется как .

Достоинством схемы с операционным усилителем является возможность калибровки передатчика без подключенного к нему кабеля и приемника, поскольку вносимая ими погрешность пренебрежимо мала.

Напряжение источника выбирается такой, чтобы обеспечить работу транзистора передатчика в активном (ненасыщенном) режиме и скомпенсировать падение напряжения на проводах кабеля и сопротивлениях , . Для этого выбирают , где — напряжение насыщения транзистора (1. 2 В). Например, при типовых значениях = = 500 Ом и сопротивлении кабеля 100 Ом (при длине 1 км) получим напряжение источника питания петли 22 В; ближайшее стандартное значение равно 24 В. Отметим, что мощность, связанная с избыточным напряжением источника питания по сравнению с рассчитанным значением, будет рассеиваться на транзисторе, что особенно существенно для интегральных передатчиков, не имеющих теплоотвода.

Цифровая «токовая тепля»

Цифровая «токовая петля» используется обычно в версии «0. 20 мА», поскольку она реализуется гораздо проще, чем «4. 20 мА» (рис. 1.4). Поскольку при цифровой передаче данных точность передачи логических уровней роли не играет, можно использовать источник тока с не очень большим внутренним сопротивлением и низкой точностью. Так, на рис. 2.13 при стандартном значении напряжения питания =24 В и падении напряжения на входе приемника 0,8 В для получения тока 20 мА сопротивление должно быть равно примерно 1,2 кОм. Сопротивление кабеля сечением 0,35 кв. мм и длиной 1 км равно 97 Ом, что составит всего 10% от общего сопротивления петли и им можно пренебречь. Падение напряжения на диоде оптрона составляет 3,3% от напряжения источника питания, и его влиянием на ток в петле также можно пренебречь. Поэтому с достаточной для практики точностью можно считать, что передатчик в этой схеме является источником тока.

Как аналоговая, так и цифровая «токовая петля» может использоваться для передачи информации нескольким приемникам одновременно (рис. 1.5). Вследствие низкой скорости передачи информации по «токовой петле» согласование длинной линии с передатчиком и приемником не требуется.

«Токовая петля» нашла свое «второе рождение» в протоколе HART.

Рис. 1.5 Токовая петля может быть использована для передачи информации нескольким приемникам

Источник

Интерфейсы передачи информации

То что вы видите на мониторе — интерфейс. Клавиатура с мышкой — интерфейс. И даже окно регистратуры в больнице — это тоже интерфейс.

Во встраиваемых системах чаще всего под словом «интерфейс» понимают физический блок МК отвечающий за передачу данных. Они могут быть последовательными или параллельными, синхронными или асинхронными, дифференциальными или обычными.

Параллельные и последовательные интерфейсы

Допустим нам нужно переслать 1 байт (8 бит) информации. Как это сделать? Можно выделить под каждый бит по одной ножке МК (линии), тогда для передачи потребуется 8 ножек, плюс одна, которая будет говорить принимающей стороне что передача закончена и нужно считать входной сигнал. Такой интерфейс называется параллельным (англ. parallel): группа битов передаётся одновременно за один квант времени. К таким интерфейсам относится PCI (32 линии) и её можно встретить в LCD знакогенерирующих индикаторах (например WINSATR).

Можно поступить по другому и передавать данные по одной линии, кодируя, например, 1 как высокий уровень сигнала (3,3 В), а 0 как низкий (0 В). В таком случае потребует всего одна ножка МК для передачи и одна что бы сообщать когда этот сигнал считывать. Такие интерфейсы называют последовательными (англ. serial): N битов передаётся по одному за N-квантов времени. Примером последовательного интерфейса — USART.

Параллельный интерфейс, как не сложно догадаться, быстрее в N-раз, однако требует в N-раз больше линий. В микроконтроллерах чаще всего присутствуют только последовательные интерфейсы (периферийные блоки, которые делают всё автоматически), к ним относятся SPI, I 2 C, I 2 S, CAN, USART и USB. Некоторые из них мы рассмотрим подробнее в этом курсе.

Синхронные и асинхронные интерфейсы

Кодировка битов может быть осуществлена не только как 1 — высокий уровень и 0 — низкий уровень. В интерфейсе 1-Wire 1 и 0 кодируется одновременно и низким и высоким уровнем, отличается лишь их заполнение временного отрезка. Вы увидите это дальше в курсе, когда мы будем разбираться с датчиком температуры.

В интерфейсе SPI напротив, считывание сигнала происходит только по команде тактирующей линии.

Дифференциальные интерфейсы

Опять же вопрос, зачем два провода, когда можно использовать один? UART вроде хорошо работал на одной линии. На самом деле нет. UART хорошо работает на низких скоростях. При повышении частоты передачи начинают влиять паразитные ёмкости и индуктивности и сигнал просто теряется. Дифф-пара позволяет понизить напряжение, уменьшить электро-магнитное излучение, уменьшить потребление и повысить устойчивость приёма сигнала.

Выбирать дифференциальную пару, конечно, нужно не только в тех случаях, где требуется высокая скорость передачи, но и там, где «шумная» среда. В электронике автомобиля используется другой интерфейс, под названием CAN. Скорость передачи данных там не высокая, за-то она обеспечивает хороший приём в условиях жёсткой эксплуатации.

К слову, проводной интернет (Ethernet) так же построен на дифференциальной паре.

Режим работы

Некоторые интерфейсы могут поддерживать несколько режимов работы, другие напротив способны работать только в одном определённом.

Если устройство использует два канала, один для приёма и второй для передачи, и при этом обмен данными может происходить одновременно, то такой режим работы называют полным дуплексом (англ. full duplex). Ваш мобильный телефон работает в таком режиме: вы можете слушать человека и говорить ему что-либо одновременно. Если используется два канала, но передача и приём может производится только одним устройством в один момент времени, то такой режим работы называется полудуплексным (англ. half-duplex). И наконец, если используется один канал, следовательно общение может проходить только разделённое во времени, то такой режим называется симплексным (англ. simplex).

Свойство шины

Каждый интерфейс предъявляет свои требования к шине данных. В таких интерфейсах как UART может быть только два устройства (принимающее и отправляющее). При этом с точки зрения иерархии нет никакой разницы, оба устройства равнозначны. В интерфейсе SPI устройств может быть несколько, но только одно (на самом деле не всегда, но это исключение) является главным, т.е. ведущим или мастером (англ. master). Все остальные устройства являются ведомыми или подчинёнными (англ. slave). При этом SPI требует подводить к каждому устройству линию выбора (англ. chip select). Общение ведётся только с тем устройством, на линии которого присутствует сигнал активации.

То самое чувство, когда микросхема испустила дух, выпустила магический дым.

Сравнение некоторых интерфейсов

Все данные в таблице — ориентировочные, многое зависит от скорости передачи, напряжения, среды распространения и т.д.

Источник

Основные интерфейсы передачи данных

Интерфейс передачи данных говоря простым языком это своеобразный переходник между узлами, он знает, как передавать данные, что при этом использовать и чего ждать в ответ. А вот официальное определение уже звучит сложнее — это некая граница между двумя объектами или узлами, которые регламентируются особым принятым стандартом и реализуются с помощью установленных методов, средств и правил. Рассмотрим основные виды интерфейсов передачи данных.

Интерфейс Ethernet

С ним сталкивался практически каждый пользователь. Первоначальное его предназначение коммуникация между офисными устройствами. Для реализации первых соединений применялась линейная топология, и простой коаксиальный кабель. На сегодняшний момент данный подход уже устарел, да и наверное большинство пользователей удивляться как можно было компы соединить между собой коаксиальным кабелем, а раньше были такие сетевые карты. Сейчас в основе построения сетей используется топология «звезда», реализуемая и делимая на части маршрутизаторами и коммутаторами. По интерфейсу Ethernet можно передавать информацию со скоростью 10, 100, 1000 Мбит/сек. Одной из особенностей данного интерфейса является наличие MAC адреса, который вшит в аппаратную часть Вашей сетевой карты, приблизительно это как IMEI сотового телефона. С помощью него происходит распознавание того узла, который отправил и получил данные. Каждый MAC адрес уникален, достигается это тем, что разработчики устройств делят между собой общее множество значений. За тремя старшими байтами в MAC — адресе закреплен свой производитель.

Интерфейс USB

Также популярный интерфейс последовательной передачи данных USB (Universal Serial Bus). Все современные устройства оборудованы данным интерфейсом, главная его особенность в том, что используется технология Plung and Play. Означает это, что любое устройство с интерфейсом USB можно подключать и работать, в большинстве случаев избегая установки дополнительных драйвером. Например: флешки, переносные жесткие диски, клавиатуры, мыши и т. п. Одним из существенных плюсов USB подача питания на одном из контактов, что в свою очередь позволяет исключить дополнительный источник питания при подключении оборудования.

Интерфейс IrDA

Данный вид интерфейса уже практически устарел и многие даже не вспомнят его. А вот в недалеком прошлом без него практически невозможно было подключить первые сотовые телефоны к компьютеру. Его задача состояла в том, чтобы подключить то или иное оборудование с помощью инфракрасного излучения. Скорость передачи была очень низкой составляла всего 2400 — 115 200 bps, и ограничение нельзя было использовать на больших расстояниях. Как и упоминал выше, данный интерфейс в основном использовался в сотовых телефонах, но и компьютерная техника не исключение. На сегодняшний момент такую технологию применяют в пультах дистанционного управления различных устройств, например телевизоры, аудио-видео аппаратура и т. п.

Интерфейс HDMI

Данный интерфейс позволяет передавать медиа данные. Отличительной способность от старого интерфейса VGA, он позволяет передавать видео со звуком. Имеет большую пропускную способность и позволяет транслировать видео высокой четкости. Аббревиатура HDMI именно так и расшифровывается Hugh Definition Multimedia Interface.

Интерфейс Bluetooth

Он пришел на смену IrDA и сейчас активно используется во многих устройствах для создания связи между ними. Например: мышки, телефоны, ноутбуки, внешняя акустика и т. п. Производители заявляют радиус действия 100 метров, но на практике таких показателей добиться очень трудно, как правило составляет порядка 10 метров. Средняя скорость передачи данных составляет 3 Мбит/с.

Интерфейс Wi-Fi

Достаточно новый вид интерфейса, но уже завоевавший сердца многих пользователей. Основное его преимущество это беспроводное подключение. Используется практически во всех электронных устройствах, начиная от компьютеров, телевизоров и заканчивая лампочками и умными розетками. Технические характеристики постоянно улучшаются и усовершенствуются. Средняя скоро передачи составляет от 450 до 1300 Мбит/с.

Вам понравилась статья и есть желание помочь моему проекту, можете пожертвовать на дальнейшее развитие воспользовавшись формой ниже. Или достаточно просто открыть пару баннеров с рекламой, это тоже поможет мне, но и не затруднит Вас.

Источник

Основы интерфейсов последовательной передачи данных

Растущий объем внедрения самых различных систем автоматизации во всех областях промышленности требует обработки постоянно возрастающего объема информации. «Основными артериями» являются кабели последовательной передачи данных, по которым управляют комплексными процессами и передают результаты измерений параметров технологического процесса.

Широко применяются различные типы последовательных интерфейсов, которые гарантируют помехозащищенную высокоскоростную передачу данных в тяжелых промышленных условиях.

RS-232 (V.24)

Один из самых распространенных последовательных интерфейсов определен в стандартах TIA-232 и CCITT V.24.

Интерфейс реализует обмен данными между двумя устройствами (соединение точка к точке) в дуплексном режиме на расстоянии до 15 м.

В самой простой конфигурации требуется три провода – ТхD (передаваемые данные), RxD (принимаемые данные) и GND (общий сигнальный провод). При этом управление передачей данных осуществляется с так называемым программным квитированием. Для передачи с программным квитированием имеются дополнительные линии, используемые для передачи сигналов управления, тактовых сигналов, а так же для сигнализации.

Интерфейсы устройств могут быть спроектированы как оборудование для передачи данных (DCE) или как оконченное оборудование обработки данных (DTE). Различительным признаком является разное направление передачи на линиях при одинаковом обозначении и назначении выводов. Пример: DTE-устройство осуществляет передачу через подключение TxD (передаваемые данные), в то время как DCE-устройство через это же соединение принимает данные. Такое решение позволяет реализовать простую прямую связь между двумя устройствами. При соединении однотипных устройств все соединительные линии необходимо перекрещивать.

Уровни сигналов обеих линий передачи данных определены следующим образом:

На линиях передачи управляющих и оповестительных сигналов логика работы, напротив, инвертирована (лог. «I» = положительный потенциал). Максимальная скорость передачи данных составляет 115,2 кбит/с. В промышленных условиях дистанцию передачи в таком случае рекомендуется уменьшить до 5 м.

Интерфейс TTY с токовой петлей впервые был применен в телеграфии. В настоящее время его все еще можно встретить в программируемых логических контроллерах (ПЛК) и принтерах. Как для передачи, так и для приема данных необходимо по одной паре линий, при этом линии должны быть попарно скручены. Передача данных осуществляется в дуплексном режиме с программным квитированием. Линии передачи управляющих сигналов не предусмотрены. Значение тока 20 мА в петле соответствует состоянию логическая «I». Если цепь тока разорвана, это воспринимается как состояние логический «0». В каждой петле требуется формирующий ток источник, который может быть подключен либо на передающей, либо на принимающей стороне. Сторона, формирующая ток, считается «активной», «пассивная» же находится всегда напротив активной. Различают три конфигурации интерфейса:

Приемник (RD) является пассивным. Каждая токовая петля может работать лишь с одним источником тока. Разрешены только комбинации «полностью активный/пассивный» и «полуактивный/полуактивный». Такая передача данных может быть реализована на расстояния до 1000 м. Максимальная скорость передачи составляет 19200 бит/с.

RS-422

Требования интеллектуальных машин к быстрым и высокопроизводительным средствам передачи данных описываются стандартом RS-422. Последовательная передача данных между двумя устройствами осуществляется в дуплексном режиме со скоростью до 10 Мбит/с на расстояния до 1200 м.

Интерфейс реализует как минимум один канал передачи данных (Т) и один канал приема данных (R). Координация приема/передачи осуществляется при этом на основе программного квитирования. В качестве варианта возможна передача с аппаратным квитированием. При этом требуется наличие каналов управления (I) и сигнализации (С). Высокая надежность передачи достигается путем измерения дифференциального напряжения между проводниками соответствующей скрученной пары. Паразитное напряжение, возникающее относительно общего провода, влияния не оказывает.

Электрические уровни в линиях передачи данных определены следующим образом:

Оконченные сопротивления нагрузки (100…200 Ом) на входах приемника, не только препятствует отражению в линии передачи, но и дополнительно повышают надежность передачи благодаря четко выраженному результирующему току.

RS-485 W2

Этот тип последовательного интерфейса отличается не только высокой производительностью, как и интерфейс RS-422, но также допускает многоточечное подсоединение до 32 оконечных устройств. Электрические уровни и сопоставленные им логические значения идентичны определяемым стандартом RS-422. правда, из-за 2-проводной схемы соединения передача данных может осуществляться только в полудуплексном режиме, это означает, что передача и прием данных производятся попеременно и должны управляться соответствующей программой. Соответствующий программно реализуемый протокол должен в отличие от коммуникации по чистой схеме точка-точка обеспечить возможность обращения к каждому подключенному по многоточечной схеме оконечному устройству по адресу, а также идентификацию этого устройства. В каждый момент времени передавать данные может лишь одно оконечное устройство, все остальные должны в это время находиться в режиме «слушания». Двухпроводной шинный кабель может иметь длину до 1200 м, на его обоих концах должны быть подключены оконечные сопротивления нагрузки (100…200 Ом). Отдельные оконечные устройства могут удаляться от шины с использованием ответвлений на расстояние до 5 м. При применении попарно скрученного и экранированного кабеля максимальная скорость передачи данных составляет 10 Мбит/с. Стандарт RS-485 определяет всего лишь физические свойства интерфейса. Поэтому совместимость интерфейсов RS-485 между собой не обязательно гарантирована. Такие параметры, как скорость передачи, формат и кодирование данных определяются системными стандартами, например стандартами INTERBUS, PROFIBUS, MODBUS и т.п.

RS-485 W4

Стандарт RS-485 с 4-проводной схемой позволяет в противовес стандарту RS-485 с 2-проводной схемой осуществлять связь через шину в дуплексном режиме. Примером этого является измерительная шина DIN-Messbus. В отличие от 2-проводной технологии в этом случае ветви передачи приемника отделены друг от друга и поэтому могут работать одновременно. Топологии, основанные на принципе «ведущий/ведомый», применяются предпочтительно в измерительных шинных системах, в которых ведущее устройство ведет передачу данных максимально 32 ведомым, находящимся в режиме «слушания». Ветви передачи ведомых устройств могут находиться в третьем дискретном состоянии (tri-state), в котором поддерживается их высокое полное сопротивление. Только измерительная станция, к которой поступил запрос, активно подключает свой передатчик к шине. Электрические уровни и их логические значения соответствуют, как и во всех других интерфейсах типа RS-485, стандарту RS-422. Максимальная скорость передачи составляет 10 Мбит/с. Кабель шины должен иметь оконечные сопротивления, его жилы должны быть попарно скручены и экранированы.

Модем

Обычная телефонная сеть позволяет передавать только аналоговые сигналы в диапазоне частот от 300 Гц до 3,4 кГц. Поэтому для передачи через телефонную сеть цифровых сигналов от последовательных интерфейсов необходимо предварительное преобразование. Для этого требуется устройство, преобразующее поток цифровых данных в колебания аналоговых сигналов, а эти колебания затем обратно в поток цифровых данных. Эти процессы называют модуляцией и демодуляцией, а устройство, их выполняющее, соответственно модемом. Процесс образования коммутируемой связи соответствует международным стандартам. При этом несущая частота служит для синхронизации обоих модемов. С помощью общедоступной телефонной сети можно таким образом реализовать канал между устройствами, расположенными в любой точке мира. Но даже при использовании выделенной линии расстояния в 20 км не составляют проблемы.

Хотя требуется только два провода, передача данных чаще всего происходит в дуплексном режиме.

Максимальная производительность аналоговой линии составляет 33,6 кбит/с.

Передач а по стандарту V.90 со скоростью 56 кбит/с возможна только от интернет-сервера к модему. В обратном направлении, т.е. от модема V.90 к модему V.90, скорость передачи составляет максимум 33,6 кбит/с.

INTERBUS

INTERBUS представляет собой кольцевую систему. Передающая и принимающая линии объединены в один кабель, из-за этого INTERBUS воспринимается как древовидная структура с линиями, представленными ответвлениями от магистрального кабеля. Эти ответвления соединяются с удаленной шиной через ответвительные клеммные модули шины. Соединения между оконечными устройствами удаленной шины являются активными соединениями точка-точка, физический уровень соответствует стандарту RS-422. При этом полезные данные передаются как дифференциальные сигналы по попарно скрученным сдвоенным проводам (4 провода) в дуплексном режиме. Скорость передачи данных составляет 500 кбит/с или 2 Мбит/с. Возможная общая протяженность линий связи до 12,8 км, при этом система может включать в себя максимум 255 сегментов длиной до 400 м каждый.

Применение повторителей и согласующих резисторов-терминалов на конце линии не требуется, поскольку кольцо автоматически замыкается на последнем устройстве удаленной шины.

PROFIBUS

Шина PROFIBUS определена стандартами МЭК 61158 и МЭК 61784 и технически базируется на 2-проводной системе RS-485 с полудуплексным режимом передачи данных. Система Profibus построена как чисто линейная структура с возможностью подключения до 32 оконечных устройств, максимальная протяженностью сегмента шины составляет 1200 м. чтобы обеспечит помехоустойчивую работы шины, в частности, при высоких значениях скорости передачи данных, следует применять лишь те типы шинных кабелей, которые разработаны специально для шины Profibus. Оконечные устройства системы Profibus соединяются между собой путем прокладки двухжильного шинного кабеля со скрученными жилами. Если в сеть необходимо объединить больше оконечных устройств, то машину или промышленную установку необходимо сегментировать. Отдельные сегменты обмениваются между собой данными через повторители, которые обеспечивают усиление и разделение потенциалов сигналов, несущих полезную информацию. Каждый повторитель расширяет систему на один дополнительный сегмент с 32 оконечными устройствами и полной длиной кабеля, причем максимально можно подключить 127 оконечных устройств. Скорость передачи в системах Profibus может быть настроена в диапазоне от 9,6 кбит/с до 12Мбит/с. Значение скорости влияет на допустимую длину сегментов шины, а также пассивных ответвлений (таблица). Чтобы обеспечить надежную передачу данных, каждый сегмент шины Profibus на медном кабеле должен начинаться и заканчиваться согласующим резистором.

CANopen/Device Net

Протокол локальной сети контроллеров (Controller Area Network (CAN)) был первоначально разработан для объединения в сеть автомобильной электроники. Путем расширения протокола были получены системы CANopen и Device Net для промышленных применений полевой шины.

Все оконечные устройства шины соединяют линейно трехжильным кабелем имеющим в начале и в конце согласующие сопротивления.

Оконечные устройства прослушивают обмен данными по шине и, дождавшись паузы, начинают передачу пакетов данных. Часто несколько оконечных устройств идентифицируют шину как свободную и начинают передачу данных одновременно. Поскольку разные пакеты данных при этом могли бы мешать друг другу, предусмотрен побитовый арбитраж, предотвращающий потерю данных. Этот механизм называют Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidment (сокращенно CSMA/CA – множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов).

Оконечные устройства сравнивают уровни сигнала на шине с уровнями передаваемых ими сигналов. Эти уровни могут оказаться либо доминантными (уровень 0) или рецессивными (уровень I). Как только поверх собственной комбинации битов будет записан доминантный уровень, это означает, что другое оконечное устройство перешло в режим передачи. Оказавшийся рецессивным передатчик немедленно останавливает свою передачу и будет пытаться снова передать свой пакет данных уже во время следующей паузы. Сообщения, а тем самым и запросы на доступ к шине можно при раздаче адресов ранжировать по приоритетам в зависимости от количества доминантных бит.

Время распространения сигнала ограничивает максимально достижимую протяженность сети в зависимости от скорости передачи, так как метод CSMA/CA работает только в ограниченном временном окне. Это обязательно необходимо учитывать при проектировании.

Ethernet

Ethernet описан в стандарте IEE 802 и был первоначально разработан для коммуникации между офисными устройствами (компьютерами, принтерами и т.п.). При этом была принята линейная топология и был применен коаксиальный кабель. В настоящее время сети строят исключительно с децентрализованной топологией типа «звезда» на основе витых пар или оптоволоконного кабеля. При этом в промышленных сетях скорость передачи данных составляет 10 или 100 Мбит/с. Структуру сети можно согласовать с требованиями каждого отдельного случая путем организации каскадов с помощью разветвителей типа «звезда» (концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы).

Если для распределения данных применяют концентраторы, система должна работать в полудуплексном режиме. В этом случае обмен данными обеспечивается механизмом Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidment (CSMA/CA – множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов). При этом оконечные устройства прослушивают канал обмена информацией в сети и начинают передачу данных только после приостановки других передач. Пакет отсылается каждому оконечному устройству сети. Оконечные устройства сравнивают содержащийся в присланном пакете адрес получателя со своим собственным адресом и принимают пакет только в случае совпадения адресов. Часто несколько оконечных устройств идентифицируют шину как свободную и начинают передачу данных одновременно. Вследствие этого пакеты данных разрушают друг друга, В этом случае говорят о коллизии. Активное конечное устройство, первым обнаружившее коллизию, сразу же требует от всех оконечных устройств медленной остановки передачи данных. Чтобы пакеты данных не потерялись и их можно было бы послать вновь, передатчики должны получить квитирующее сообщение до того, как был послан последний бит сообщения.

Временные ограничения квитирующего сообщения при коллизии непосредственно влияют на максимальную протяженность сети. Так называемый коллизионный домен ограничивается сетевым адаптером, маршрутизатором или коммутатором. Такая сегментация сети устраняет ограничения сети с концентраторами, благодаря этому становятся возможными большая территориальная протяженность сети и оптимизация обмена данными.

В идеальном случае каждое оконечное устройство подключают к коммутационному порту, тем самым оно получает собственный коллизионный домен. Производительность сети повышается, поскольку коллизии исключены, механизм CSMA/CD можно отключить и эксплуатировать сеть в дуплексном режиме в полосе частот двойной ширины.

При монтаже следует учитывать тип применяемого устройства. В соответствии с интерфейсами DTE/DCE в случае устройств RS-232 имеются Ethernet-устройства с интерфейсами MDI или MDIx. Однотипные устройства необходимо всегда подключать соединительными кабелями со скрещенной разводкой, а устройства различного типа кабелями с разводкой 1:1.

С помощью внутренней коммутации, объединяющей множество устройств, возможно переключение интерфейса вручную или автоматически (функция авто согласования) непосредственно на месте установки. Благодаря этому во всех случаях имеется возможность соединения кабелем с разводкой 1:1.

Еще одним автоматическим механизмом является функция авто согласования скорости и режима работы, благодаря которой устройства выбирают общие для всех скорость и режим передачи (полудуплекс или дуплекс).

Источник