Одноадресные последовательные каналы связи.

Как и параллельные каналы, одноадресные последовательные служат для обмена информацией только между двумя абонентами, и переключение на обмен с другим абонентом требует не только остановки работы канала, но и аппаратного переключения линий связи. При работе последовательных каналов, в соответствии с описанным выше принципом, очень важным фактором является синхронизация работы обоих абонентов. С этой точки зрения одноадресные последовательные каналы подразделяются на две группы: синхронные каналы и асинхронные. Принцип работы синхронных каналов заключается в том, что они используют один генератор тактовых импульсов для передатчика и для приемника, поэтому для работы таких каналов кроме информационной линии связи прокладывается вторая линия для передачи тактовых импульсов. Такой принцип соединения абонентов обеспечивает несколько большую скорость передачи, но требует дополнительных технических затрат на прокладку второй сигнальной линии. В устройствах управления ГПС чаще находят применение последовательные асинхронные каналы. В таких каналах каждый абонент имеет свой генератор тактовых импульсов, а синхронизация работы абонентов обеспечивается за счет использования трех факторов:

1.Применение высокостабильных по частоте генераторов.

2.Ввод в передаваемый последовательный код дополнительных служебных бит:

- Старт – бита - для начала работы приемника абонента,

- Стоп битов – для фиксации окончания приема байта.

3. Считывание принимаемой информации в приемнике осуществляется либо в середине такта ГТИ, либо путем интегрирования амплитудных значений сигнала за период такта ГТИ.

Стабилизация частоты генераторов обеспечивается применением кварцевых резонаторов, а формат передаваемых кодов приведен в таблице 5. Как видно из таблицы, для синхронизации начала приема очередного последовательного кода, именуемого в дальнейшее «посылкой», в состав посылки вводится старт-бит, с приходом которого и начинается работа приемника. Посылка заканчивается передачей одного или даже двух стоп-бит. Кроме того, для обеспечения большей надежности передачи иногда в посылку вводится дополнительный бит паритета, являющийся результатом работы схемы контроля по паритету.

Таблица 5

Порядковый номер бита

Назначение бита

Старт

0р

1р

2р

3р

4р

5р

6р

7р

Кп

Стоп

Стоп

Поскольку функции преобразования параллельного кода в последовательный и, наоборот, имеют типовой характер, то в настоящее время разработано большое число больших интегральных микросхем, реализующих эти операции

+ 5 в. + 5 в.

D1 Q8 D1 Q8

АБ1 D2 Q7 D2 Q7 АБ2

D3 Q6 D3 Q6

D4 Q5 D4 Q5

D5 Q4 D5 Q4

D6 Q3 D6 Q3

D7 Q2 D7 Q2

D8 Q1 D8 Q1

ПИ БПЧ ПИ БПЧ

C2 C2

РИ РИ

ЧСЭ ССТ ЧСЭ ССТ

ЧЭ1 ИП ЧЭ1 ИП

ЧЭ2 ОПЧ ЧЭ2 ОПЧ

Ч/Н ОСЭ Ч/Н ОСЭ

ЗПЧ ОП ЗПЧ ОП

РЗР РЗР

Вх БРС Вх БРС

ГТИ С1 Вых ГТИ С1 Вых

ИС ПРС ИС ПРС

Бл1 Бл1

Бл2 Бл2

R R

 

 

Рис. 15. Схема соединения двух абонентов по асинхронному последовательному

каналу связи на базе МС типа К1002ХЛ1.

Рассмотрим пример создания последовательного асинхронного канала на основе микросхемы типа К1002ХЛ. Эта микросхема представляет собой двунаправленный восьмиразрядный асинхронный приемопередатчик. Микросхема запитывается одним напряжением +5 вольт, что обеспечивает TTL –уровень обменных сигналов и представляет определенные удобства при проектировании автономных информационных систем, например, при получении информации от отдельных датчиков технологических параметров.

Кроме основных операций преобразования кодов из параллельного вида в последовательный и передачи-приема их, в данных микросхемах реализован ряд диагностических и сервисных функций, таких как, например, контроль ошибки переполнения, означающая, что принята следующая посылка, а предыдущая не прочитана и не переписана в буфер, ошибка в числе информационных бит (сбой в передаче или приеме), ошибка в числе стоповых бит (наложение посылок в канале) и др. На рис. 15. приведена упрощенная принципиальная схема последовательного канала для двустороннего обмена информацией между двумя абонентами. В качестве абонентов выступают устройства формирующие (АБ1) параллельный цифровой восьмиразрядный код и принимающий (АБ2) параллельный код, допускаются и обратные функции абонентов. Микросхемы имеют несколько заранее программируемых режимов работы. Рассмотрим работу микросхемы несколько подробнее. Микросхема содержит следующие элементы и сигналы для организации работы:

- входной параллельный порт D1...D8,

- выходной параллельный регистр Q1...Q8,

- вход последовательной посылки - Вх,

- выход последовательной посылки - Вых,

- пусковой импульс преобразования - ПИ,

- тактовая частота приемника - С1,

- тактовая частота передатчика - С2,

- сигнал сброса всех внутренних схем микросхемы R,

Сигналы настройки на режим:

- число стоповых бит в посылке: при ЧСЭ =0 один стоп-бит, при ЧСЭ =1 – два стоп-бита.

- число бит в информационной посылке ЧЭ1 и ЧЭ2, выбирается в соответствии с таблицей 6.

- выбор способа контроля обмена по паритету Ч/Н:

при Ч/Н = 1 происходит паритета по четности,

при Ч/Н = 0 контроль по нечетности,

- запрет контроля по паритету: при ЗПЧ = 0 контроль паритета не производится.

- выбор режима РИ.

при РИ =0 осуществляется режим стробирования, т.е. анализ уровня принятого бита производится в середине пачки из 16 тактовых импульсов генератора,

при РИ =1 выбирается режим интегрирования, т.е. решение об уровне сигнала принятого бита принимается после интегрирования принятого бита в течение 64 импульсов тактового генератора.

- запись сигналов выбора режимов в исполнительный регистр - РЗР,

- сигнал - информация сосчитана - ИС, предназначен для блокировки сдвигового регистра приемника, устанавливается в 1 внешним устройством после чтения посылки из выходного регистра приемника,

- сигнал -информация принята - ИП, устанавливается в 1 после приема каждой посылки, тем самым сообщает абоненту о получении информации и сбрасывается по приходу от абонента сигнала ИС,

- сигнал БЛ1 переводит выходной параллельный регистр Q1...Q8 в третье состояние,

- сигнал БЛ2 переводит выходы сигналов ОПЧ, ОСЭ, ОП в третье состояние.

Сигналы БЛ1 и БЛ2 позволяют создавать каналы с проводным объединением по выходам регистров Q1...Q8, что создает удобства абонентам по приему информации от нескольких источников.

- сигнал начала приема посылки ССТ, сохраняет уровень лог.1 до середины приема первого стоп-бита, может использоваться для получения дополнительной информации о работе канала.

- сигнал ошибки по паритету - ОПЧ, устанавливается в 1 при обнаружении ошибки,

- сигнал ошибки в стоповом элементе - ОСЭ, устанавливается в 1 при несовпадении числа стоповых элементов с запрограммированным,

- сигнал ошибки переполнения - ОП - устанавливается в 1 в том случае, если при приеме очередной посылки предыдущая не была прочитана абонентом.

- БРС - буферный регистр свободен, устанавливается в 1 сразу после того, как передаваемый байт информации сигналом ПИ будет переписан из входного регистра в передающий сдвиговый регистр, следовательно, пока будет идти передача в линию посылки, в буферный входной регистр может быть записан очередной байт для передачи по каналу.

- ПРС - передающий регистр свободен - устанавливается в 1 после окончания передачи посылки в линию.

Таблица 6

Количество бит	ЧЭ1	ЧЭ2

 

Работает канал следующим образом. Передающий абонент, например, абонент №1, предварительно проанализировав состояние сигнала БРС (он должен иметь уровень 0) подает на параллельные входы D1...D8 очередной байт информации и формирует сигнал ПИ. По этому сигналу байт записывается во входной буферный регистр передатчика, и, если свободен передающий регистр, сразу переписывается в него, после чего автоматически в передающий регистр добавляются служебные биты, включая проверку по паритету и добавление бита паритета. По тактовым импульсам посылка продвигается на выход и далее по сигнальной линии на вход передатчика. Абонент №1 после записи байта в буферный регистр и начала передачи посылки, может проверить сигнал БРС и, если он будет равен 0 - свободен - может в буферный регистр записать очередной байт с помощью нового сигнала ПИ. Однако этот новый байт не будет переписан в передающий регистр, поскольку он не закончил передачу предыдущего. По окончании выдачи посылки, т.е. освобождения передающего регистра, информация из буферного регистра автоматически, без участия абонента, переписывается в передающий регистр, и формируется новая посылка. Если в буферном регистре информации не окажется, то передающий регистр переходит в режим ожидания до прихода нового байта и сигнала ПИ

В приемнике абонента №2 принимаемая посылка поступает в принимающий сдвиговый регистр и в середине первого стоп-бита переписывается в выходной регистр Q1...Q8.Одновременно производится контроль посылки по паритету и на выходе БПЧ формируется бит паритета. Принятая посылка проверяется на наличие ошибок и при их обнаружении формируются соответствующие сигналы (ОП,ОСЭ или ОПЧ). После переписи принятой посылки из приемного регистра в выходной формируется сигнал ИП, сообщающий абоненту №2 о принятом байте, в ответ на это абонент №2 должен прочитать выходной регистр и сформировать сигнал ИС, что позволит принимающему регистру принять очередной байт информации.

Передача информации от абонента №2 к абоненту №1 производится аналогичным образом, а сама посылка передается по второй сигнальной линии, соединяющей выход передатчика абонента №2 с входом приемника абонента №1. Таким образом для двустороннего обмена двух абонентов достаточно двух сигнальных линий,т.е. четырех проводов (два общих провода) Иногда с целью экономии проводов общие объединяют, однако для большей помехоустойчивости рекомендуется каждую сигнальную линию строить из двух проводников в виде так называемой “витой пары”.

Несколько слов о скорости передачи. При использовании асинхронного принципа обмена, скорости работы приемника и передатчика должны быть одинаковы, поэтому большей унификации установлен типовой ряд скоростей обмена: 50, 75, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 57600 бод. Скорость передачи сигнала по каналу измеряется в единицах - бод: 1 бод = 1 бит/сек., а реальная скорость передачи информации определится из условия

Vр = V * n, где: n - полное число бит в посылке.

. Из приведенного ряда скоростей наибольшее распространение в настоящее время имеет скорость 9600 бод, хотя в последнее время, особенно в устройствах управления высоких иерархических уровней наблюдается тенденция к значительному увеличению скоростей. На уровне же устройств ЧПУ, вполне достаточна и скорость 9600 бод. Исходя из этой скорости, для нашего примера необходимы следующие частоты тактовых генераторов:

- для режима стробирования f = V * 16 = 9600*16 = 153,6 кгц,

- для режима интегрирования f = V * 64 = 9600*64 = 614,6 кгц.

По способу соединения двух абонентов, т.е. способу организации работы сигнальных линий последовательные каналы разделяются на две группы: каналы типа “токовая петля” и каналы типа “стык”. Рассмотрим работу обоих типов каналов. В каналах типа “токовая петля” физическим носителем битов информации является ток, поэтому часто употребляют термин “токовая посылка”. Как правило, такие каналы дополняются устройствами гальванической развязки между системами питания абонента и собственно канала связи. В связи с этим возникает необходимость применения дополнительных, гальванически развязанных от абонентов источников питания для работы сигнальных линий. Технически этот источник может быть размещен либо у передатчика, либо у приемника, в соответствии с этим и различают каналы с активным приемником или активным передатчиком. Активным называют тот элемент канала, который производит запитку сигнальной линии. Этот момент очень важно учитывать при соединении абонентов, так при соединении двух пассивных элементов сигнальная линия не будет запитана и передачи информации не будет, а при соединении двух активных элементов возможен их выход из строя. Гальваническая развязка в каналах типа “токовая петля” чаще всего выполняется с помощью оптоэлектронных элементов - оптронов. На рис.16. а и б приведены принципиальные схемы каналов типа “токовая петля” с активным приемником (а) и с активным передатчиком (б). Первая схема работает следующим образом: входной сигнал канала обычно ТТЛ - уровня усиливается элементом D1 (схема с открытым коллектором) и подается на входной светодиод оптрона V1. Выходная часть оптрона V1 и входная часть оптрона V2 составляет токовую петлю, запитываемую от источника Vcc, поскольку конструктивно источник расположен в приемнике, то и канал называется каналом с активным приемником. Чаще всего источник питания Vcc по амплитуде отличается от питания абонентов (обычно Vсс = 12...15 вольт иногда и выше). В схеме на рис.16.б токовая петля запитывается от источника, конструктивно расположенного в передатчике и канал называется каналом с активным передатчиком. Работа его аналогична работе канала с активным приемником.

Каналы типа “токовая петля” несмотря на некоторую конструктивную сложность (дополнительные источники питания, гальванические развязки) обладают высокой помехоустойчивостью и способны осуществлять устойчивый обмен на расстояние до 2000...3000 метров (при использовании в качестве сигнальных линий коаксиальных

кабелей), поэтому получили широкое применение при создании СУ ГПС.

В случае передачи информации на небольшие расстояния (10.15 метров) используют последовательные каналы типа “стык”. Наглядным примером такого канала может служить соединение двух абонентов с помощью COM - портов ПЭВМ. Состав сигналов COM - порта типа RS-232 приведен в таблице 7.

COM - порт представляет собой двунаправленный асинхронный приемо-передатчик с дополнительными служебными сигналами:

- сигналы DTR (DSR) говорят о наличии в канале абонентов (сравните сигналы ГП и ГИ в параллельных каналах),

- сигналы RTS (CTS) свидетельствуют о готовности абонентов к работе (в параллельном канале аналог - сигнал ЗП).

- сигнал DCD является специфичным сигналом при работе с удаленными модемами и обычно в создании каналов связи не участвует

 

а. ИП Rогр.

+

- ТТЛвых.

ТТЛ

 

 

ИП Rогр. б.

+

ТТЛ вых

 

 

Рис.16. Схемы последовательных каналов:

а. с активным приемником,

б. с активным передатчиком.

ИП – автономный источник питания для токовой петли.

Таблица 7.

№№ контактов	Обозначение	Направление сигнала	Назначение сигнала
	DTR DSR RTS CTS DCD TxD RxD GND	Выход вход выход вход вход выход вход	Готовность передатчика Готовность приемника Работа передатчика Работа приемника Наличие несущей Выход последовательной посылки Вход последовательной посылки Общий провод для всех линий.

 

На рис. 17. приведена принципиальная схема соединения двух абонентов через COM- порты (схема соединительного кабеля).

 

Абонент №1 Абонент №2

DTR 4 4 DTR

DSR 6 6 DSR

 

RTS 7 7 RTS

CTS 8 8 CTS

DCD 1 1 DCD

 

TxD 3 3 TxD

RxD 2 2 RxD

 

 

Рис.17. Схема соединения двух абонентов с помощью COM - портов.

 

 

Каналы такого типа обладают достаточной надежностью, в том числе и за счет взаимной блокировки по сигналам RTS (CTS) при несинхронном с передачей считывании абонентом полученной посылки. При построении сложных систем управления ГПС часто возникают задачи стыковки устройств с различными типами УЛС, в частности, выходные сигналы COM - портов не согласуются напрямую с сигналами портов с ТТЛ - уровнями, например, с портом на основе микросхемы К580ВВ51 (в RS-232 уровень лог.”1” составляет напряжение -8.....-12 в., а уровень лог.”0” составляет напряжение +8.....+12 в.). На рис. 18. приведены схемы согласования при соединении устройств с различными типами портов. Как видно из схем, такая стыковка приносит определенные сложности. Так, если для микросхемы К559ИП20 достаточно одного дополнительного источника питания (+5в на 14 вывод и общий - на 7 вывод), то для микросхемы К559ИП19 необходимо два дополнительных источника (+12в на 14 вывод, -12 в - на 1 вывод и общий на 7 вывод).

 

 

ТТЛ К559ИП19 RS 232 К559ИП20 ТТЛ

DSR 2 2 DSR DTR 1 3 DTR

2

CTS 4 6 CTS RTS 4 6 RTS

5 5

RxD 9 8 RxD TxD

10 8 TxD

13 11 12

13 11

+ 5 в. + 5 в.

 

 

Рис.18. Принципиальные схемы согласователей

сигналов ТТЛ и RS - 232

Существуют и более простые схемы согласования сигналов. На рис. 19. приведена схема согласования уровней сигналов порта COM и порта с уровнем TTL на основе микросхемы MAX 232. Такая схема не требует применения нескольких источников питания, так как все требуемые уровни формируются внутренними устройствами микросхемы. Значения конденсаторов изменяются в пределах 0,1 до 1,0 мкф в зависимости от требуемой скорости передачи информации. Для наиболее распространенной скорости обмена 9600 бод применяются полярные конденсаторы с номинальными значениями 1 Мкф. 15 в.

 

Рассмотрим пример создания последовательного многоадресного канала на основе стандарта USB.

Каналы USB работают под управлением единого устройства (компьютера),выполняющего роль ведущего устройства (хоста). Все остальные устройства подключенные к хосту являются ведомыми. На рис. 20 показан пример топологии системы управления на базе каналов USB. Как видно из рисунка подключение ведомых устройств к ведущему может осуществляться как непосредственно, так и через специальные концентраторы (Hub), что накладывает определенные требования на аппаратную реализацию каналов связи.

 

В элементах вычислительной техники канал USB достаточно подробно реализован как на конструктивном, так и на программном уровне. На рис.22 приведена электрическая принципиальная схема соединения двух устройств с помощью USB портов (передача сигнала), а на рис.21 циклограмма сигналов в линиях порта USB. Как видно из рисунка в каналах USB применяется модифицированный код NRZ, называемый кодом NRZI. В коде NRZ «единица» как переход между уровнями 0 и 1 двоичного кода, а «ноль» как отсутствие перехода. Это напоминает передачу вместо сигнала его производной. Код NRZI отличается от кода NRZ тем, что добавляется ноль после двух встретившихся последовательно единиц. Протоколы обмена информацией с использованием USB-портов