Архитектура промышленной сети BitBus (стр. 17 из 23)
Рис. 5.4. Эквивалентная схема связи при воздействии синфазной помехи.
RS — на высоких частотах — волновое сопротивление кабеля, на низких частотах — полное омическое сопротивление кабеля;
Za, Zb, Zc — полные импедансы совокупности приемников, представленных в виде мостовой эквивалентной схемы;
Ei — напряжение помехи общего вида;
En — приведенное ко входу напряжение противофазной составляющей помехи.
Для указанной эквивалентной схемы степень асимметрии определяется отношением интенсивности помехи общего вида Ei к напряжению помехи En, наведенной между проводниками кабеля на входе эквивалентной схемы приемника:
Отношение Ei/En определяется следующей формулой (промежуточные вычисления опущены):
,где Yx=1/Zx, Gs=1/Rs.
Пусть Yb - Ya = Yd. Кроме того, исходя из практических соображений, можно считать, что (Ya, Yb, Yc) << Gs. Тогда степень асимметрии приближенно выражается следующей формулой:
Таким образом, степень асимметрии обратно пропорциональна сумме разностей полных (комплексных) проводимостей между каждой входной клеммой каждого приемника и землей и не зависит от полной синфазной проводимости входа приемника относительно земли (Ya+Yb). Симметрия канала наиболее существенна в области высокочастотных составляющих передаваемого сигнала, которые лежат в полосе пропускания приемника.
Разница значений емкости между каждой входной клеммой прием ника и землей, составляющая всего лишь несколько пикофарад, может привести к значительной асимметрии канала, если применяемый приемник имеет полосу пропускания порядка сотен МГц. Например, для 10 приемников, подключенных к кабелю, волновое сопротивление которого составляет 120 Ом, наличие разности емкостей между входными клеммами каждого из них и землей, равной 10 пФ, приведет к асимметрии канала на частоте 10 МГц, составляющей около 10 дБ. На более высоких частотах (например, 50 МГц) конфигурация системы будет аналогична однопроводной с общим обратным проводом, которая лежит в основе интерфейса RS-232-C. В связи с изложенным настоятельно рекомендуется использовать экранированную витую пару, что обеспечивает как симметрию линии связи, так и повышение устойчивости к электромагнитным помехам.
5.8 Дополнительные требования к реализации заземления
Для правильного функционирования цепей формирователя и приемника при обмене данными единицы оборудования системы должны иметь путь возврата сигнала между цепями заземления на приемной и передающей сторонах. Цепь заземления может быть выполнена путем непосредственного присоединения общих каждого устройства к точкам, имеющим нулевой потенциал. Указанный способ допустим только при гарантированном равенстве потенциалов земли в местах размещения единиц оборудования системы. Кроме того, цепь заземления может быть реализована при помощи дренажного проводника, который имеется внутри кабеля передачи данных, как показано на рис. 5.5. При реализации цепи сигнального заземления вторым способом соединение третьего (дренажного) проводника с сигнальным общим проводом каждого устройства должно быть выполнено через резистор небольшого сопротивления, например 100 Ом, который предназначен для ограничения блуждающих токов, когда в целях безопасности применяются другие цепи заземления.
Рис. 5.5. цепь заземления реализованая при помощи дренажного проводника.
В ряде случаев для повышения устойчивости к помехам электрического (не магнитного) характера применяется экранированный кабель передачи данных. При его использовании экран должен быть соединен с корпусом оборудования только в одной из двух наиболее удаленных точек размещения технических средств системы. Реализация второго варианта допустима только при гарантированном равенстве потенциалов земли в местах размещения единиц оборудования системы. Требования к средствам присоединения экрана кабеля стандартом EIA RS-485 не устанавливаются.
Способ реализации цепей заземления при использовании приемопередатчиков с гальванической изоляцией показан на рис. 5.1.
5.9 Конфликтные ситуации
Если к линии связи подключены два формирователя или более, то возможна ситуация их одновременного перехода в активное состояние. В случае, когда один формирователь в активном состоянии является источником, а второй — потребителем тока, может произойти чрезмерный разогрев компонентов выходных каскадов формирователей. Подобная ситуация носит название конфликтной. Поскольку требования к системе могут предопределять возможность одновременного перехода в активное состояние более чем одного формирователя, условия испытаний согласно п.3.4.2 стандарта EIA RS-485 установлены с учетом ограничения максимальной мощности, рассеиваемой компонентами выходного каскада формирователей.
Конфликтные ситуации могут возникать по следующим причинам.
1. Включение питания системы.
2. При включении питания системы либо при повторном включении после кратковременного отключения несколько формирователей (или все) в процессе инициализации могут пребывать в активном состоянии.
3. Неисправность системы.
4. Возникновение неисправности системы или сбой программного обеспечения могут привести к переводу нескольких формирователей в активное состояние.
5. Использование протокола обмена, допускающего осуществление попыток одновременного доступа к каналу связи со стороны нескольких устройств. Некоторые протоколы обмена могут содержать процедуры доступа к каналу связи, предусматривающие перевод нескольких формирователей в активное состояние на короткие интервалы времени. Однако, в конечном счете, канал предоставляется одному устройству, что обеспечивает разрешение конфликтной ситуации.
Механизмы возникновения неисправности формирователя показаны на рис. 5.6. и рис. 5.7.
Рис. 5.6. Конфликтная ситуация, вызванная одновременной активацией двух формирователей.
На рис. 5.6. изображены выходные цепи двух формирователей, присоединенные к общей линии связи. Ток короткого замыкания будет протекать через открытое верхнее плечо формирователя A и открытое нижнее плечо формирователя B. При наличии разности потенциалов между землями формирователей, лежащей в диапазоне от минус 7 до плюс 7 В, мощность, рассеиваемая формирователем A, может превысить предельно допустимое значение. Например, если предельно допустимый ток нагрузки формирователя A составляет 250 мА, а разность потенциалов между землями формирователей — 7 В, то рассеиваемая мощность будет составлять около 3 Вт.
Рис 5.7. Конфликтная ситуация, вызванная одновременной активацией нескольких формирователей.
Ситуация, когда несколько формирователей нагружено на один, иллюстрируется рис. 5.7. По нижнему плечу формирователя В протекает суммарный ток от нескольких формирователей A, что может привести к его выходу из строя за счет увеличения напряжения насыщения (коллектор-эмиттер) и соответствующего роста рассеиваемой мощности. Таким образом, формирователь должен быть оснащен средствами защиты, предотвращающими выход из строя по описанным ранее причинам.
Наиболее очевидными решениями указанной задачи являются:
· введение элементов ограничения тока;
· реализация тепловой защиты формирователя.
При использовании ограничителей тока уменьшается рассе иваемая мощность и после разрешения конфликтной ситуации работоспособность устройства мгновенно восстанавливается. В случае же применения тепловой защиты при ее срабатывании время восстановления формирователя значительно возрастает. Таким образом, предпочтительно реализовывать тепловую защиту таким образом, чтобы ее порог срабатывания был близок к предельно допустимому значению тока, протекающего по цепям выходного каскада формирователя. Совместно с тепловой защитой рекомендуется устанавливать в выходных цепях формирователя элементы ограничения тока, функция которых состоит вснижении рассеиваемой мощности при протекании тока, незначительно превышающего номинальный.
Конфликтные ситуации, сопровождаемые протеканием по линии большого тока, приводят к тому, что в линии связи запасается реактивная энергия. При резком снижении тока происходит всплеск напряжения, интенсивность которого определяется формулой:
где U — амплитуда всплеска напряжения; Iкз — суммарный ток короткого замыкания, протекавшего в линии при конфликтной ситуации; Zk — волновое сопротивление линии связи.
Разработчик системы должен предусматривать возможность возникновения всплесков напряжения, амплитуда которых существенно превышает установленное стандартом значение (25 В). Указанные всплески могут быть вызваны кратковременными мощными помехами, возникающими при коммутации силового оборудования, а также атмосферными разрядами. Схема подключения устройства подавления импульсных помех показана на рис. 5.8. При реализации внешних цепей защиты приемопередатчиков следует учитывать тот факт, что каждое установленное устройство подавления выбросов напряжения в линии связи вносит емкость, эквивалентную емкости кабеля длиной около 120 м.