Převodníky a principy přenosu informace

PŘEVODNÍKY, PŘÍNCIPY PŘEVODU INFORMACÍ

1 Co je to převodník?

Řídicí systémy a objekty řízení se skládají z různých součástek, přístrojů a zařízení, mezi nimiž probíhá neustále výměna informace prostřednictvím nosičů informace – signálů. Signál je nositelem informace. Řídicí člen ovládá řízený objekt pomocí získaných informací o skutečném stavu řízené veličiny.  Pro přenos informace se neobejdeme bez energie (libovolná). Signál vznikne přiřazením informace některému z parametrů energie (napětí nebo proudu, síle nebo rychlosti, tlaku nebo průtoku). Toto přiřazení se nazývá modulace. Způsobu přiřazení mezi významem informace a signálem říkáme kód (kódování).

Druhy signálů:

  • Přirozený signál – fyzikální, má vlastnosti a rozsah vyplývající z principu jejich vzniku.
  • Jednotný signál – má přesně definovaný rozsah, připouští volbu mezi několika alternativami.
  • Unifikovaný signál jednoznačně definovaný v podstatě v celosvětovém měřítku a nemá alternativu. U elektric. reg. systémů – proudové signály k dálkovému přenosu (0 – 20 mA, 4 – 20 mA), napěťové signály k přenosu vnitřních částí (0 – 10 V), u pneum. reg. systémů (20 – 100 kPa).

Protože principy činnosti jednotlivých členů jsou různé, je třeba pro zabezpečování komunikace mezi jednotlivými členy přizpůsobovat (upravovat) výstupní signály předcházejícího členu na signály, které lze dále zpracovat v následujícím členu. Tuto funkci plní zařízení, která nazýváme převodníky.

Převodník se umísťuje mezi dvě zařízení a umožňuje jejich komunikaci. Mění jednu fyzikální veličinu na jinou, kterou je možné dále zpracovat. Požadavky na vlastnosti převodníků jsou podobné jako u snímačů, jen často přibývá požadavek galvanického oddělení výstupního signálu od vstupních obvodů.

 

2 Dělení převodníků

Základní rozdělení převodníků podle charakteru vstupní a výstupní veličiny:

  • převodníky neelektrických veličin,
  • převodníky elektrických veličin,

elektricko-elektrické, analogově číslicové a číslicově analogové,

  • mezisystémové: elektricko-hydraulické, elektricko-pneumatické.

2.1 Převodníky neelektrických veličin

Převodníky neelektrických veličin jsou určeny ke změně neelektrických signálů měřených snímači na unifikovaný elektrický signál, vhodný k další­mu zpracování. Skládají se tedy ze snímače neelektrické veličiny a z elektricko-elektrického převodníku.

2.1.1 Měřicí převodník teploty (Pt 100)

Jako příklad můžeme uvést měřicí převodník PTU 2.0 L určený k měření teploty (se snímačem teplot Pt 100) a její převod na vnucený stejnosměrný proudový signál. Tento výstupní signál může být indikován ukazovacím měřicím přístrojem nebo může být použit pro průmyslové měření a regulaci. Pokud se dodrží maximální, popřípadě minimální povolená zátěž, může být připojeno i několik vyhodnocovacích přístrojů současně (ukazovací přístroj, regulátor, zapisovač atd.) Přístroje mohou být umístěny v místě měření nebo ve vzdálených velínech.

UvP_ELEKTRO_EL51_001

  Napájecí napětí převodníku se přivádí na samostatný vstup pomocného napájení. Vstup a výstup jsou galvanicky odděleny od pomocného napájení. Výstup je odolný proti zkratu a rozpojení. Měřicí převodník PTU 2.0 L převádí změnu odporu snímače Pt 100 (podle DIN 43 760, popř. DIN IEC 751) na elektrický signál úměrný teplotě. Vstupní diferenciální člen zesiluje úbytek stejnosměrného napětí na snímači. Snímač může být připojen dvou, tří nebo čtyřvodičovým zapojením. Koncový stupeň zesiluje signál na unifikovaný vnucený stejnosměrný proud. Snímač je napájen interním zdrojem konstantního proudu.

2.1.2 Převodník relativní vlhkosti a teploty

Dalším příkladem převodníku neelektrických veličin je GRHU-2K-MP tj. převodník relativní vlhkosti a teploty s displejem a čidlem, volně nastavitelné rozsahy výstupních signálů pro vlhkost a teplotu, rozsah měření teploty -40 až +120 °C, rozsah měření vlhkosti 0 až 100 % RH, přesnost  měření vlhkosti 1 %, přesnost měření teploty 0,4 %, možnost uživatelské kalibrace,  galvanické oddělení kanálů vlhkosti a teploty,  možné výstupní signály: 4 – 20 mA, 0 – 1 V nebo 0 – 10 V.

 

UvP_ELEKTRO_EL51_002

2.2 Elektricko-elektrické převodníky

Elektricko-elektrické převodníky jsou určeny k měření a převodu střídavého i stejnosměrného napětí a proudu, činného a jalového výkonu a frekvence na unifikovaný analogový stejno­směrný proudový signál 0 až 5 mA, 0 až 10 mA, 4 až 20 mA. Dále se používají na převod malých stejnosměrných napětí a proudů na unifikovaný napěťový nebo proudový signál.

Samostatnou skupinu tvoří členy pro galvanické oddělení obvodů od řídicích obvodů jako např. oddělovací transformátory, spínací a opto­elektronické součástky.

 

2.2.1 Analogově číslicový (digitální) převodník

Diskrétní systémy, jako jsou např. číslicové počítače, zpracovávají dvouhodnotové signály. Chceme-li takovým počítačem zpracovat signály, které přicházejí z okolního prostředí ve formě spojitě se měnících fyzikál­ních veličin snímaných snímačem, musí vstupní zařízeni počítače obsahovat analogově digitální převodník (převodník A/D).

Převodník A/D mění spojitě se měnící (analogový) vstupní signál na odpovídající výstupní číslicový (digitální) signál v určitém kódu. Slouží ke kvantita­tivnímu vyjádření velikosti vstupní veličiny pomocí čísel. Funkce takového převodníku je zřejmá ze statické převodní charakteristiky. Při převodu vznikne číslicový signál diskrétní v čase i amplitudě. Diskretizace signálu v čase se realizuje pravidelným časovým vyhodnoco­váním okamžité hodnoty analogového signálu, což nazýváme vzorkováni. V určitém časovém okamžiku se zjistí hodnota analogové veličiny a až do dalšího zjištění se považuje její hodnota za konstantní. Tímto postupem vzniká chyba, která se však zvyšováním frekvence vzorkování zmenšuje.

Diskretizace signálu v amplitudě se nazývá kvantování. Každá z hodnot kvantovaného signálu může být vyjádřena číslicovým kódem. Číslicový údaj na výstupu převodníku A/D má nejčastěji formu „počet impulsů úměrný analogové veličině“ nebo přímo formu dvouhodnoto­vého vícebitového signálu, kódového slova složeného jen z hodnot 0 a I.

Příkladem A/D může být zvuková karta, což je zařízení, které slouží k počítačovému zpracování zvuku.

UvP_ELEKTRO_EL51_003

 

UvP_ELEKTRO_EL51_004

 

  • Záznam je prováděn z nějakého zdroje poskytujícího analogový signál (mikrofon, rádio, magnetofon, audio CD). Takovýto signál se skládá z vln (kmitů) o nestejném tlaku, který je vytvářen ve vzduchu hlasivkami, hudebními nástroji nebo přírodními silami.
  • V takovémto případě je nutné tento analogový signál převést na signál digitální. Převod se uskutečňuje pomocí vzorkování (sampling). To znamená, že v každém časovém intervalu je zjištěn a zaznamenán aktuální stav signálu (vzorek). Je zřejmé, že čím kratší je tento interval, tím vyšší je vzorkovací frekvence, tím více vzorků bude pořízeno a tím bude výsledný záznam kvalitnější. Kvalitu je možné dále ovlivnit počtem rozlišitelných úrovní v každém vzorku.
  • Ovlivnění kvality záznamu vzorkovací frekvencí.

UvP_ELEKTRO_EL51_005

 

2.2.2 Číslicově  analogový převodník

Mezi nejjednodušší postupy převodu číslicové informace na analogový signál patří převod pomocí šířkové modulace impulzů (pulse-width modulation – PWM). Číslicový pulzní šířkově modulovaný signál je možné prostřednictvím jednoduchého filtru RC převést na analogový signál (viz UvP_ELEKTRO_EL51_006.JPG). Číslicový signál, který je na výstupu mikropočítače, má konstantní napěťovou úroveň pro logickou hodnotu „1″ – UP1 a konstantní napěťovou úroveň pro logickou hodnotu „0″ – UP0. Při době periody T se mění poměr dobyT1, v níž je signál v úrovni „1″, a doby T2 s úrovní „0″. Střední hodnotu napětí, která je získána na výstupu filtru, lze vypočítat podle vztahu:

 

UvP_ELEKTRO_EL51_006

 

Průběhy napětí pro dva případy signálů jsou na obr. 55a a obr. 55b. Podmínkou pro správnou činnost filtru je, aby časová konstanta článku RC byla značně větší než doba periody T.

 

Musí tedy platit:                                     R . C » T

 

Jestliže nebude splněna tato podmínka, filtr nevyhladí dostatečně výstupní napětí, a to bude sledovat části exponenciálního průběhu nabíjecí a vybíjecí křivky kondenzátoru (viz obr. 54c). Výstupní napětí Uo závisí také na výstupních napěťových úrovních mikropočítače. Nejsou-li konstantní nebo nejsou-li definovány, používá se výstupní signál jako řídicí pro analogový přepínač, který přepíná dva zdroje referenčního napětí na filtr. Sériový odpor vnitřního obvodu v mikropočítači nemá na převod podstatný vliv. Vnitřní odpor je možné považovat za součást hodnoty odporu R v RC článku, a to způsobí zvětšení časové konstanty filtračního článku. Aby nebyla ovlivněna hodnota výstupního napětí U0, měl by být zatěžovací odpor následujících obvodů co nejvyšší. V praxi je to realizováno oddělovacím stupněm s operačním zesilovačem s filtrem zapojeným do neinvertujícího vstupu.

PWM výstup monolitického mikropočítače je možné realizovat bud‘ programově, nebo technickým vybavením (je-li součástí monolitického mikropočítače). Programově se generují impulzy na některém výstupu mikropočítače. Technické prostředky jsou nejčastěji tvořeny programovatelným čítačem, u něhož je možné nastavit kmitočet pro generování periody T a zadat hodnotu jeho vnitřního stavu, při které se mění výstupní logická úroveň. Je-li např. čítač osmibitový – tzn. že má 256 možných stavů – znamená překlápěcí úroveň 128 nastavení poloviční hodnoty výstupního rozsahu.

 

2.2.3 Pneumatické převodníky

Převodník tryska-klapka. Nejobvyklejší provedení tohoto typu převod­níku je schematicky naznačeno na obr. UvP_ELEKTRO_EL51_007.JPG. Skládá se z clony 1, trysky 2 a klapky 3. Napájecí vzduch s tlakem pn = 140 kPa proudí přes clonu 1 tryskou 2 do ovzduší. Volnému průtoku tryskou 2 do ovzduší brání klapka, jejíž poloha je nejčastěji ovládána snímačem. Doléhá-li klapka zcela na trysku, představuje tryska nekonečný odpor, tlak pv na výstupu je roven tlaku napájecímu. S rostoucí odlehlostí h se odpor trysky zmenšuje, tím se snižuje výstupní tlak Pv, až se při určité odlehlosti a blíží tlaku atmosfé­rickému. Statická charakteristika uvedeného převodníku vykazuje v pra­covní části nelineárnost a navíc jistou nestabilitu, způsobenou např. kolí­sáním napájecího tlaku, vůlí v mechanismech apod. Tam kde chceme dosáhnout přesné lineární závislosti, doplňujeme převodník zpětnou vazbou.

UvP_ELEKTRO_EL51_007

 

Převodník dvojkuličkový (UvP_ELEKTRO_EL51_008.JPG). Pracuje jako mechanicky ovládaný dělič tlaku. Je-li ventilek ve spodní poloze, uzavírá přítok napájecího tlaku pn a výtok do ovzduší je zcela otevřen, takže Ev = 0. V opačné poloze je uzavřen výtok do ovzduší a na výstupu bude tlak pv = pn. Plynulou změnou polohy se dosahuje i plynulé změny výstupního tlaku v rozmezí 0 <= pv <= pn. Na rozdíl od převodníku tryska-klapka je vhodný především pro větší výkonová zesílení.

UvP_ELEKTRO_EL51_008_009

 

Převodník šoupátkový (obr. UvP_ELEKTRO_EL51_009.JPG). Používá se často ve spojení s pneumatickými a hydraulickými pístovými servomotory. Vstupním signálem je zdvih šoupátka h, výstupním signálem rozdíl tlaku ve výstupních kanálech Dp = pl – p2. Tento převodník se používá pro větší průtočná množství. Jeho nevýhodou je určitá necitlivost v okolí střední polohy, která je způso­bena překrytím šoupátka e.

UvP_ELEKTRO_EL51_008_009

Převodník tryskový (obr. UvP_ELEKTRO_EL51_0010.JPG). Skládá se z trysky 1 a rozdělovače 2. Otočně uložená tryska je ovládána ústrojím vstupní veličiny. Kapalina s tlakem pn se přivádí k ústí trysky, ve kterém se mění tlaková energie kapaliny v energii pohybovou. Kapalina vytéká velkou rychlostí z trysky a podle její polohy zasahuje více nebo méně některý z kanálků. V kuželovi­tém kanálku rozdělovače dochází k přeměně pohybové energie v energii tlakovou. Je zřejmé, že ve střední poloze trysky (h = 0) jsou oba tlaky p1, p2 stejné a dosahují asi 56 % napájecího tlaku. Jestliže trysku vychýlíme tak daleko, že proud oleje zasáhne jeden z kanálků roz­dělovače naplno, kdežto druhý jím nebude zasahován vůbec, dostoupí tlak v plně zasaženém kanálku svého maxima (0,8 pn) a ve druhém tlak zcela zanikne. Na rozdíl od šoupátkového převodníku stačí k přestavení trysky poměrně malá síla. Rovněž i jeho citlivost je lepší.

UvP_ELEKTRO_EL51_0010

 

3 Sériová komunikace

Při sériovém způsobu předávání zpráv se jednotlivé bity znaků přenášejí v čase po sobě po jednom vodiči. Původně tento způsob vznikl v telekomunikační technice, kde především šetřil spojovací vedení. Z obdobných důvodů nachází uplatnění i ve výpočetní technice, a to i u místně soustředěných systémů. Další možností je přenos dat po skleněných vláknech. Nové technologie v současné době zcela vytlačují paralelní přenos a používají se i pro přenos dat mezi procesorem a pevným diskem.

Zjednodušeně lze říci, že základem sériového přenosu jsou dva posuvné registry. Do registru vysílače mikroprocesor paralelně zavede vysílaný znak a ten se pak sériově vysouvá na vedení. Do registru přijímače znak naopak vstoupí z vedení sériově a přebírá se z jeho paralelních výstupů. Nepřenáší se pouze čistá původní informace, ale i redundantní bity, které přidá vysílač a které přijímač po kontrole odstraní. V zásadě rozlišujeme dva způsoby sériové komunikace: asynchronní a synchronní.

3.1 Asynchronní přenos

Asynchronní způsob přenosu je založen na tom, že přenos každého znaku může být po skončení znaku předchozího zahájen kdykoliv. Sériový výstup TxD vysílače i vstup RxD přijímače v klidu na logické úrovni 1. Vysílání se zahajuje startovacím bitem, tj. poklesem na L, podle kterého přijímač pozná začátek přenosu znaku. Pak se v pravidelných okamžicích vysílají, popř. přijímají bity přenášeného znaku, kterých může být (v závislosti na kódu) 5 až 8. Potom může, ale nemusí být vyslán paritní bit a pak následuje 1 nebo I,5 nebo 2 ukončovací stop bity. Všechny takto vyslané bity tvoří tzv. rámec (frame). Zdů­razněme několik skutečností:

a) Přenos znaku sice začíná asynchronně, to znamená, že následující znak může být vyslán kdykoliv, ale vysílání a přijímání jednoho znaku probíhá synchronně, i když synchronnost tu znamená pouze to, že frekvence nezávislých generátorů hodin vysílače i přijímače je shodná. Požadavky na přesnost však nejsou velké, neboť každý start bit definuje nový referenční okamžik.

b) Doba přenosu jednotlivých bitů odpovídá rychlosti komunikace, která se udává v jednotkách Bd (Baud – čti bód) – 1 Bd znamená 1 změnu od 0 k 1 nebo opačně za sekundu. Přitom přenos bitů je úrovňový, tj. má-li za sebou 2 nebo více bitů, např. hodnotu 1, pak signál mezi nimi neklesá k 0. Výše zmíněnému údaji o l,5 stop bitu je tedy třeba rozumět tak, že koncová část rámce má hodnotu 1 po 1,5  doby vyhrazené pro 1 bit.

c) Vysílač zajišťuje změny signálu mezi různými logickými hodnotami na hranici dob vyhrazených pro bity. Aby se vyrovnala nesynchronnost hodinového signálu vysílače a přijímače, vzorkuje přijímač každý bit uprostřed jeho intervalu. Jen u start bitu má význam už jeho sestupná hrana, neboť ta umožní činnost přijímače. Ten však tento bit verifikuje rovněž vzorkováním v nominálním středu intervalu a začne znak přijímat jen při dostatečné délce start bitu.

d) Jestliže je pro přenos dat vyžádáno generování a kontrola paritního bitu, přijímač paritu kontroluje a v případě nesouhlasu nastaví indikátor chyby parity PE = 1 (parity error).

Parita je nejjednodušší kontrola správnosti přeneseného byte. Může být sudá nebo lichá. Např. pokud budeme mít sudou paritu, pak vysílač spočítá počet jedničkových bitů ve vysílaném byte. Pokud výsledek je sudé číslo, doplní do paritního bitu 0, jinak 1 – tak, aby výsledný počet bitů byl sudý. Přijímač při příjmu byte rovněž počítá počet jedničkových bitů a stanoví paritní bit. Ten porovná s příchozím.

e) Přijímač kontroluje stop bit, a pokud v jeho době zjistí úroveň L, nastaví indikátor chyby rámce FE = l (framming error).

3.2 Synchronní přenos

Synchronní způsob přenosu se v mikropočítačích dosud méně používá a uplatňuje se hlavně pro rychlé přenosy velkého množství informací. V teleko­munikacích je to přenos přes modemy a ve výpočetní technice např. výměna bloků informací mezi procesorem a velkokapacitní vnější pamětí. Značná délka souvislých zpráv a požadavky na rychlost přenosu i úsporu času na vedení vyžadují, aby přenášené znaky obsahovaly co možná nejméně redundantních bitů a aby následovaly za sebou v pravidelném těsném sledu. Odpa­dají tu tedy start bity a stop bity a přijímač i vysílač musí po celou dobu zprávy pracovat přísně synchronně. Toho lze dosáhnout buď souběžným přenosem hodi­nového signálu, což je dosti nepraktické, nebo vhodným způsobem modulace, kdy signál nese nejen data, ale i synchronizační informaci. Nepravidelnost příchodu dat od mikropočítače k vysílači se vyrovnává tím, že se do mezer automaticky vkládají speciální znaky, které přijímač využije při synchronizaci, ale které ze zprávy odstraní. Při synchronním přenosu vysílač i přijímač generují nebo přijímají různé pomocné signály.

 

4 Popis rozhraní

Za jedno z nejstarších a přitom používaných sériových rozhraní lze považovat rozhraní s přenosem informací pomocí proudu (proudová smyčka). Datový signál není u tohoto typu přenosu dat interpretován dvěma úrovněmi napětí, nýbrž dvěma proudovými stavy: proud nevede = log. 0, proud vede = log. 1.

 

4.1 Proudová smyčka

Pro komunikaci na větší vzdálenosti se dříve používala také proudová smyčka 0/20 mA. Její vlastnosti jsou však u vyšších rychlostí horší než u linek RS485 a RS422, proto pro nová zařízení není vhodná a v praxi se příliš nepoužívá.

UvP_ELEKTRO_EL51_0011

Na obr. UvP_ELEKTRO_EL51_0011.JPG je uvedeno principiální schéma realizace přenosového kanálu proudovou smyčkou. Zdrojem proudu je zdroj G, odporem R se nastaví předepsaný proud i linkou při uzavření smyčky klíčovacím spínačem S. Na straně příjemce značí K přijímací relé. Stav log. 0 se vytvoří rozepnutím spínače S, kdy proud linkou neteče (í = 0), stav log. 1 sepnutím spínače S.

V počítačové technice se setkáme s komunikační proudovou smyčkou s proudem 20 mA (při stavu log. 1). Nejčastěji se při přenosu dat tímto druhem rozhraní používá abeceda ISO-7 a odvozené (ASCII). Na obr. UvP_ELEKTRO_EL51_0011.JPG  jsou uvedena i schémata přijímače a vysílače a způsoby propojení zdroje, přijímače a vysílače při přenosu proudovou smyčkou. Nejčastěji se rozhraní realizuje pomocí optronů. Převod paralelního kódu znaků na sériový tok při vysílání a sériového toku na paralelní kód při přijímání lze realizovat bud‘ programově nebo technickými prostředky. Dnes se tento způsob přenosu používá hlavně v analogové technice a i zde jej vytlačuje sériový přenos přes rozhraní RS 485.

4.1.1 Převodník signálu, vstup i výstup 1x proudová smyčka 4 – 20 mA

Galvanicky oddělený převodník, vstupní i výstupní proudovou smyčku je možno zapojit jako aktivní nebo pasivní. Může sloužit zároveň jako napájecí zdroj pro snímače napájené z proudové smyčky.

UvP_ELEKTRO_EL51_0012

 

4.2 Popis rozhraní RS-232C

V roce 19ó2 bylo u americké asociace pro elektronický průmysl EIA normováno sériové rozhraní dnes známé pod názvem normy EIA RS-232. Poslední úprava této normy s příponou „C“ je platná dodnes. Toto rozhraní bylo později též normováno doporučením CCITT (mezinárodní komise pro telekomunikaci} pod článkem V.24 (odtud přeneseně „rozhraní V.24″). Z hlediska druhu a způsobu přenosu dat se u rozhraní RS­232C používá asynchronní přenos dat. Plná definice rozhraní RS-232C (resp. V 24) obsahuje kromě vlastních datových signálů též signály řídicí pro řízení přenosu informací mezi dvěma koncovými zařízeními pro přenos dat. Řízení přenosu je především záležitostí technických prostředků.

Z elektrického hlediska se u rozhraní RS-232C používají tzv. nesymetrické vazební obvody podle doporučení CCITT V.28. Doporučení RS-232C tedy definuje funkci obvodů rozhraní a doporučení V.28 způsob jejich elektrické realizace. Přiřazení minimálních úrovní signálu (v absolutní hodnotě) jeho logickým hodnotám je uvedeno na obr. 3.  Napájecí napětí obvodů je maximálně _+ 15 V. Pro účely jednoduché realizace rozhraní podle doporučeni RS-232C byla navržena řada obvodů pro převod úrovní TTL na V.28 a naopak (např. dříve řada komunikačních obvodů 75xxx, nyní spíše obvody odvozené od MAX232 a j.).

4.2.1 Převodník RS-232 na proudovou smyčku

Jako příklad z praxe lze uvést převodník RS-232 na proudovou smyčku, prodloužení linky RS-232 až na 6 km, se zvýšenou odolností na rušení.

UvP_ELEKTRO_EL51_0014

 

4.3 RS 422, RS 485 a srovnání s RS 232

Komunikace po lince RS232 je nejběžnější, protože rozhraní RS232 má vyveden každý běžný počítač. Používá se pro připojení zařízení komunikujících maximální rychlostí 115.2 kBd. RS 422 & 485 se používá v průmyslovém prostředí a v systémech pro řízení a přenos dat (maloobjemových, žádné stovky Mb/s).

Jaký je tedy mezi RS 232 a RS 422 & 485 rozdíl? Signály RS 232 jsou reprezentovány napěťovými úrovněmi vzhledem k zemi. Kromě vodičů pro přenos dat – RxD a TxD obsahuje ještě další vodiče pro řízení toku dat. Tyto pomocné řídicí signály nejsou obsaženy v linkách typu RS422 ani RS485 a musí být nahrazeny komunikačním protokolem. Zatímco linka RS232 pracuje s úrovněmi typicky –12 V a +12 V, úrovně linky RS485 nebo RS422 jsou menší, typický rozdíl mezi vodiči je 2 V. RS 232C má pro každý signál jeden vodič  + společný zemní vodič, vůči němuž jsou napěťové úrovně vztaženy. Tento způsob je vhodný pro point-to-point komunikaci při nízkých rychlostech. Například na port COM 1 u PC může být připojená myš, na COM 2 modem atd. To je příklad point-to-point komunikace, jeden port, jedno zařízení – tedy nemožnost větvení. Zapojení signálů vyžaduje společnou zem, tudíž se dostáváme k omezené délce vodičů – maximálně cca 30 až 60 metrů  (hlavní roli hraje odpor dlouhého vedení a snadná zarušitelnost).

V krátkosti tedy, RS 232 bylo vyvinuto pro komunikaci lokálních zařízení a podporuje jeden vysílač a jeden přijímač. Z toho vyplývá i základní doporučení pro provedení linky RS485 nebo RS422 – není-li k dispozici zkroucený (twistový) pár vodičů, je třeba použít alespoň tak vedené vodiče, aby se do obou indukovaly poruchy shodně. Aby přijímač mohl pracovat diferenciálně, nesmí být rozdíl mezi zemí vysílače a zemí přijímače větší než 7 V. V opačném případě se vstupy přijímače zahltí a dojde k  přerušení komunikace. Proto je nezbytné používat linky RS485 a RS422 vždy s galvanickým oddělením, jinak se jejich výhody ztratí.

RS 422 & 485 používá pro každý signál jedno twistedpair (TP) vedení, tj. 2 vodiče smotané kolem sebe. Z elektrického hlediska mluvíme tzv. Balanced data transmision, nebo také Differential voltage transmission. Každý ze signálů linky je tak přenášen po dvojici vodičů. Vodiče označované a a b jsou vysílačem buzeny v protifázi a přijímač vyhodnocuje jejich napěťový rozdíl. Tímto principem se odstraní součtové (aditivní) rušení.

Laicky řečeno, označíme-li si jeden vodič z TP jako A druhý jako B, pak je-li signál neaktivní, je napětí na A záporné a na B kladné. V opačném případě, signál je aktivní, je A kladné a B záporné. Pochopitelně se jedná o rozdíl (diferenci) mezi vodiči A a B. Pro RS 422 & 485 může délka vedení dosahovat až 4000 stop (cca 1600 metrů) a běžně vyráběné obvody dosahují přenosových rychlostí 2.5 Mb/s.

Jaký je rozdíl mezi RS 422 a RS 485?  Elektrický princip je stejný: obojí používá diferenční vysílače s alternujícím napětím 0 a 5 V. RS 422 je však určena, podobně jako RS 232 pro point-to-point komunikaci. RS 422 používá dva oddělené  TP vodiče a data mohou být přenášena v obou směrech současně. RS 422 se často používá na prodloužení vedení RS 232, nebo v průmyslovém prostředí.

RS 485 se používá pro multipoint komunikaci, více zařízení může být připojeno na jedno signálové vedení. Stejně jako například sítě ETHERNET. Většina RS 485 systémů používá Master/Slave architekturu, kde má každá Slave jednotka svojí unikátní adresu a odpovídá pouze na jí určené pakety. Tyto pakety generuje Master (například PC) a periodicky obesílá všechny připojené Slave jednotky.

Zde budeme hovořit především o Master/Slave architektuře, protože na 95 % aplikací to stačí. Ve speciálních případech (zabezpečovací systém atd.) se však používá vylepšená obdoba tzv. multiprocesorové komunikace známé z procesorů 8X51. Tento systém používá pouze jedno vedení na obousměrnou komunikaci, ale  není určen žádný Master. Všechna zařízení ohlašují odeslání paketu o určité délce a zároveň poslouchají, zda byla data v pořádku odeslána. Pokud se tak nestalo, zastaví komunikaci a čekají, co se stalo. V té době je možno po lince přenést urgentní pakety. Tento systém se výborně hodí např. pro zařízení, která potřebují ihned přenést zařízení velmi důležitá a aktuální data, aniž by čekala, až na něj přijde řada a Master mu dá příležitost.  V praxi je však přenos užitečných dat výrazně menší, než v prvním případě (cca o 30% méně efektivní). V Master/Slave architektuře slave nikdy nezačíná komunikaci. Je tedy pochopitelné, že master musí vysílat správné adresy.

4.4 Zakončení sběrnice

Impedanční zakončení linky RS485 nebo RS422 je věc dosti problematická. Samozřejmě je správné na konce linky zapojit rezistor o shodné hodnotě s impedancí vedení, a tím zabránit odrazům na vedení.  V praxi však nejsou obvykle používány vysoké rychlosti přenosu (typické jsou 9.6 kBd nebo 19.2 kBd) a ani vedení nebývají správně provedena. Zakončení pak ztrácí smysl a jen snižuje úroveň signálu a tím i odolnost proti poruchám. Proto je vhodné volit zakončení spíše větší, do 1000 Ohmů.

Mnohem důležitější než impedanční zakončení je definování klidového stavu linky. Protože při komunikaci po lince RS485 nebo při rozvětvené lince RS422 se vysílače odpojují, dochází k dobám, kdy na linku žádné zařízení nevysílá. V této době není stav linky definován a linka je extrémně citlivá na indukovaná napětí (poruchy), které se jeví jako přicházející data. Proto je třeba definovat klidový stav linky připojením rezistorů podle obrázku (předpokládáme, že v klidu je vodič b zápornější než a.

UvP_ELEKTRO_EL51_0013

 

Odpor Rt je zakončovací (např. 150 Ohmů), odpory R1 a R2 definují  klidový stav (oba asi 470 Ohmu až 1 Kohm). Vcc a GND jsou lokální napájení a zem budiče.

Co je vodič a a co je vodič b? Rozpoznání vodičů linky RS485 nebo RS422 není složité, ale ve značení je zmatek. Vodiče a a b bývají různě značeny u různých výrobců a ani z normy EIA není zřejmý jejich vzájemný potenciál v klidovém stavu. Pokud tedy označení vodičů není jasné, je jediným řešením uvést zařízení do klidového stavu při vysílání a polaritu změřit, nebo prohozením správné zapojení najít. Přehozením vodičů nelze budiče linky zničit, přímo norma předepisuje proudové omezení.

4.5 Protokoly

V historii byla řada pokusů o zavedení standardních komunikačních protokolů na sériových linkách, avšak žádný z nich se neujal. Typy komunikace jsou standardní maximálně pro zařízení od jednoho výrobce. Tato skutečnost komplikuje připojení více různých zařízení na jednu linku, protože dochází ke kolizím dat.

Komunikace: nabízíme několik typů převodníků sériových rozhraní na optiku. Kromě optické páteřní linky s metalickými odbočkami je možné z nich postavit například i redundantní kruhovou síť pro systémy se zvýšenou bezpečností proti selhání. Pokud není možné položit optický kabel a je nutné zůstat u klasického krouceného páru, lze pro rozumné komunikační rychlosti do vzdálenosti cca 2 km použít modemy pro místní linky (například MD-12 a LD-01 z nabídky Westermo). Pro větší vzdálenosti je nutné použít modemy s modulací podobnou, jako se používá v běžných modemech pro veřejnou telefonní síť. V nabídce Westermo jsou modemy, které umí komunikovat na vzdálenost do 24 km rychlostí do 19,2 kbit/s. Na odlišném principu pracují SHDSL modemy, které umí rozšířit síť Ethernet až na vzdálenost 10 km při komunikační rychlosti 182 kbit/s – 2.4 Mbit/s po dvoulince. AnyBus komunikátory konvertují obecnou průmyslovou sběrnici na sériové rozhraní RS-232/422/485. AnyBus-X Gatewaye převádí obecné průmyslové sběrnice (až 170 kombinací).

 

Zpracovala: Ing. Zuzana Prokopová

 

Seznam použitých zdrojů:

  1. WWW STRÁNKA: GHV Trading, spol. s r.o.

Přístup ke zdroji:

http://www.ghvtrading.cz/rozvadecove-pristroje/prevodniky/ostatni_prevodniky/ptu.html#

 

  1. 2.      WWW STRÁNKA: MICRONIX, spol. s r.o.

Přístup ke zdroji:

http://eshop.micronix.cz/merici-technika/neelektricke-veliciny/prevodniky-s-u-i-vystupem/grhu-2k-mp.html

 

  1. WWW STRÁNKA: ALREx Cz, spol. s.r.o.

Přístup ke zdroji:

http://www.alrex.cz/cz/detail/33-merici-a-regulacni-technika/16-prevodniky-signalu/53-as-i-i.html

 

  1. WWW STRÁNKA: FCC PRŮMYSLOVÉ SYSTÉMY, spol. s.r.o.

Přístup ke zdroji:

http://www.fccps.cz/md-21-ac-prevodnik-rs-232-na-proudovou-smycku-din-model-115-or-230v_d5210.html

 

Další výukové materiály:

Převodníky a principy přenosu informace – prezentace

Převodníky a principy přenosu informace – test