Эффективность действия цифровых устройств контроля и управления проявляется наиболее полно при их объединении в целенаправленную систему.
Для сопряжения отдельных цифровых устройств друг с другом и организации обмена информацией их оснащают специальными аппаратно-программными средствами информационного обмена, которые принято называть интерфейсами.
Унификация интерфейсов, обеспечивающая возможность совместной работы разных устройств, достигается за счет выполнения их по определенным стандартам. Они устанавливают единые согласованные требования к электрическим параметрам формирователей и приемников сигналов, применяемых для обмена двоичными сигналами, к линиям связи, рекомендуют оптимальные схемы соединения, а также определяют типы и назначение выводов используемых соединительных разъемов.
Принципиальные различия интерфейсов связаны с типами и параметрами используемых линий связи.
Наибольшее распространение получили последовательные интерфейсы ввода-вывода, выполненные по стандарту RS-232. Они входят в состав большинства персональных компьютеров как общего, так и промышленного назначения. Первоначально разработанный для связи отдельных терминалов (периферийных устройств) с центральным компьютером, в настоящее время этот интерфейс имеет очень широкую область применения.
Интерфейс RS-232 предназначен для соединения двух устройств по однопроводным линиям связи и последовательной передачи потенциальных двоичных сигналов (рис. 2.12). Для каждой цепи интерфейса выделяется один сигнальный провод. Двухстороннюю связь можно организовать с помощью, как минимум, двух передатчиков и двух приемников сигналов. Передатчик одного устройства соединяется с приемником другого, и наоборот. Это обеспечивает полнодуплексный режим передачи данных.
Для управления подключенным через интерфейс устройством можно использовать дополнительные линии или специальные символы, добавляемые к передаваемым данным.
Предельные возможности интерфейсов определяются, в основном, параметрами линий связи и влиянием воздействующих на них помех. В однопроводной схеме э.д.с. помехи, возникающая в проводнике линии связи, действует последовательно с э.д.с. полезного сигнала и на входе приемника они суммируются. Таким образом, в этом интерфейсе приемник воспринимает полезный сигнал и помеху как равноценные сигналы.
Кроме того, отраженные сигналы в линиях вызывают искажения полезных сигналов. Это определяет ограничения по скорости и дальности передачи сигналов. Дополнительным фактором, ограничивающим длину линии связи, является ее емкость, определяющая требования к выходному току передатчика, который ограничен предельными параметрами используемых микросхем.
Другой распространенный стандарт RS-422 был разработан в 1975 году для обмена данными между центральным компьютером и удаленным периферийным оборудованием. Интерфейс использует симметричную линию связи.
Передатчик имеет два симметричных относительно общей шины питания (корпуса) выхода - прямой и инверсный, а приемник дифференциальный вход (рис.2.13). Провода линии связи находятся в одинаковых условиях и в них наводятся, практически, равные э.д.с. помехи, которые являются синфазными сигналами для приемников с дифференциальными входами и значительно ослабляются.
Применение дифференциального входа и симметричной линии связи дает возможность существенно ослабить воздействие помех на передаваемые сообщения, что позволяет работать на расстоянии до 1200 м с максимальной скоростью передачи до 10 Мбит/с. Каждый передатчик одного устройства может быть нагружен на несколько (до 10) приемников, что создает условия для одновременного широковещательного обмена с несколькими устройствами при полнодуплексном режиме передачи данных.
Наибольшее распространение в промышленных системах получил стандарт последовательной передачи данных RS-485, использующий одну симметричную двухпроводную линию связи (согласованную по волновому сопротивлению с параметрами передаваемых сигналов), выполненную в виде одной витой пары проводов, для разностороннего обмена данными (рис. 2.14). Возможность использовать одну двухпроводную линию связи для приема и передачи сигналов обеспечивается здесь свойствами передатчиков, в которых предусмотрено отключение выходов от линии связи в пассивном режиме (высокоимпедансное состояние выходов). К линии подключаются выходы только одного из передатчиков на время активного режима (передачи
сообщения). Выходы всех остальных передатчиков при этом отключены от линии связи. Входы всех приемников постоянно соединены с линией. Все это обеспечивает работу системы связи на основе RS-485 в полудуплексном режиме.
Рис. 2.14
Как правило, система содержит несколько приемников, несколько передатчиков и согласующие резисторы RC. Каждый передатчик должен допускать подключение к его выходам 32 приемников, 32 передатчиков, находящихся в пассивном состоянии, и согласующие резисторы. Согласующие резисторы должны подключаться к линии связи в двух наиболее удаленных друг от друга местах подключения абонентов (приемник/передатчик). Сопротивление каждого согласующего резистора принимается равным волновому сопротивлению применяемого для выполнения линии кабеля (обычно 100-120 Ом).
Один интерфейс позволяет строить сеть с числом абонентов до 32 и протяженностью линии до 1200 метров. Возможно применение ретрансляторов, каждый из которых увеличивает дальность связи еще на 1200 м, или позволяет организовать новый смежный сегмент сети.
Основные параметры наиболее распространенных интерфейсов приведены в табл. 2.10.
Таблица 2.10
Во многих сетях промышленных микропроцессорных систем для организации сетевого взаимодействия часто используется популярный стандарт промышленных сетей CAN (Controller Area Network - сеть уровня контроллера), который устанавливает правила обмена данными в локальной сети между контроллерами, датчиками и исполнительными механизмами. Им предусматривается последовательная передача данных в широковещательном режиме (как и в RS-485 одновременно передается информация для нескольких приемников) по двухпроводной симметричной линии связи. При незначительных затратах на создание линий связи этот стандарт позволяет объединить 64 устройства.
