Разработка системы автоматического контроля уровня сыпучих материалов в цилиндрическом резервуаре (стр. 4 из 15)

5.2 Описание шины 1-Wire

Шина 1 – Wire является основой сетей MicroLAN и разработана в конце 90 – х годов фирмой Dallas Semiconductor. Идея состояла в том, чтобы соединить между собой множество различных микросхем, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, используя при этом всего один сигнальный провод. Разумеется, кроме сигнального провода для замыкания должен быть и обратный так называемый «общий провод». Все микросхемы должны подключаться к такой двухпроводной шине параллельно. И вот по этой линии, состоящей всего из двух проводников от одной микросхемы к другой, должна передаваться информация, как в прямом направлении, так и в обратном.

Характеристики шины:

максимальная протяжённость шины до 300 м;

скорость передачи информации, Кбит/с – 16.3;

максимальное количество адресуемых элементов на шине – 256;

уровни напряжений на шине соответствуют стандарту ТТЛ/КМОП уровням;

напряжение питания элементов, В – 2.8…6;

лля соединения микросхем, датчиков может применяться витая пара.

Шина MicroLAN, как и шина I2C, построена по технологии Master/Slave. На шине должно быть хотя бы одно ведущее устройство (Master). Все остальные устройства должны быть ведомыми (Slave). Ведущее устройство инициирует все процессы передачи информации в пределах шины. Передача информации от одного ведомого устройство к другому напрямую невозможна. Для этого ведущее устройство должно обращаться к одному ведомому устройству, а затем к другому, причём каждое ведомое устройство должно иметь свой индивидуальный ID – код, который заносится в специальную область микросхемы лазером. Такой код никогда не повторится.

Ещё одним замечательным свойством обладает данная шина: имеется возможность автоматического обнаружения только, что подключенного ведомого устройства. протокол 1 – Wire включает в себя специальную команду поиска, при помощи которой ведущее устройство может осуществлять автоматический поиск ведомых устройств. В процессе поиска Master определяет ID – коды для всех подключенных ведомых устройств. Поиск происходит путём постепенного отсеивания несуществующих адресов. Поэтому для того, чтобы найти все устройства, подключенные к шине требуется значительное время [12].

5.2.1 Схемная реализация 1-Wire интерфейса

Схема соединения ведущего устройства с ведомым однопроводной шиной 1 - Wire показана на рисунке 5.2, нагрузкой шины является сопротивление резистора R1. данный резистор обязан находится в непосредственной близости от ведущего устройства. С большим успехом можно применять микросхемы, у которых выходные каскады построены по КМОП технологии, вместо биполярных транзисторов в выходных каскадах. В режиме ожидания все выходные каскады закрыты. На шине присутствует напряжение логической единицы. Информация же передаётся по шине при помощи отрицательных импульсов.

Рисунок 5.2 – Схемная реализация 1-Wire Интерфейса

Источник тока ведомого устройства необходим для создания тока утечки, который, в свою очередь, создаёт нулевой уровень сигнала на внутренних элементах микросхемы или датчика при их отключении от шины 1 – Wire. Диод VD1,резистор R2, конденсатор C1: все эти элементы используются в режиме паразитного питания, т.е. микросхема или датчик могут запитываться от информационной шины. Однако, режим паразитного питания не всегда применим, а только при сверх малом потреблении энергии [12].

5.2.2 Синхронизация и побитная передача информации

Все операции на шине производятся только под управлением ведущего устройства. Оно может производить запись информации в ведомые устройства, а также их чтение. Информация передаётся побайтно, бит за битом, начиная с младшего бита. В любом из этих двух режимов ведущее устройство вырабатывает на шине тактовые сигналы. Для этого оно периодически «подсаживает» шину на землю при помощи выходных транзисторов своего 1 – Wire интерфейса. Полезная информация передаётся путём изменения длительности импульсов тактового сигнала.

Для надёжной работы шины необходимо, чтобы в процессе передачи информации всеми элементами сети, строго соблюдались временные параметры. Каждая микросхема или датчик, подключённые к сети, самостоятельно вырабатывают все необходимые для работы шины интервалы времени, причём для ведущего устройства эти требования более жёсткие, чем к ведомым.

Как видно из рисунка 3.3 величина интервала для передачи одного бита информации должна лежать в пределах от 60 мкс до 120 мкс. Длительность синхроимпульса лежит в пределах 1 мкс. Ведомое устройство, обнаружив на шине передний фронт синхроимпульса, должно сформировать задержку минимум на 15 мкс, и затем произвести проверку сигнала на шине. Допустимый разброс времени задержки для разных типов микросхем и датчиков лежит в пределах от 15 мкс до 60 мкс.

В режиме записи нулевого бита ведущее устройство вырабатывает только синхроимпульсы, длительность которых равна 1 мкс. Если читаемый бит равен нулю, то ведомое устройство продлевает длительность синхроимпульса. Минимальная длительность продлённого импульса составляет 15 мкс. Для этого временного интервала допускается довольно большой разброс. В пределах этого разброса длительность удлинённого импульса может вырасти до 45 мкс. Если же читаемый бит равен единице, то удлинения синхроимпульса не происходит. Для того, чтобы правильно оценить значение читаемого байта ведущее устройство должно прочитать уровень сигнала на шине сразу после окончания синхроимпульса, но не позднее, чем через 15 мкс [12].

5.2.3 Обнаружение присутствия на линии

Любой цикл обмена данными в сети MicroLAN начинается с импульса сброса (рисунок 5.4). Импульс сброса – это длинный отрицательный импульс на шине 1 – Wire, вырабатываемый ведущим устройством.

Временные параметры показаны на том же рисунке. С импульсом сброса, тесно связан ещё один служебный сигнал – сигнал присутствия на шине. Сигнал присутствия вырабатывает каждое ведомое устройство сразу же после окончания действия импульса сброса. Ведущее устройство должно проконтролировать наличие этого импульса. Если же сигнала присутствия нет, то значит, что на линии нет ни одного ведомого устройство.

Длительность импульса сброса должна быть не менее 480 мкс. Процесс передачи информации может начаться не ранее, чем 480 мкс после окончания действия импульса сброса. В этом временном интервале и ожидается появление сигнала присутствия. Для этого после окончания импульса сброса ведущее устройство «отпускает» линию и ждёт сигнала от ведомого устройства. Каждое ведомое устройство после обнаружения сигнала сброса выдерживает паузу на время 15…60 мкс, а далее оно « подсаживает» линию. Длительность импульса присутствия составляет 60…240 мкс. Ведущее ус – во проверяет сигнал нулевого уровня в середине этого временного интервала. Если сигнал обнаружен, то значит есть, хотя бы одно нормально работающее устройство.

Любая операция в сети начинается с команды. Команда представляет собой один байт информации. Каждая команда имеет свой собственны код. На рисунке 5.5 представлен протокол 1 – Wire интерфейса.

Ведущее устройство инициирует сброс, затем ведомое устройство выделяет сигнал задержки единичного уровня, далее: это же устройство инициирует сигнал присутствия на линии.

Ведущее устройство при обнаружении присутствия ведомого устройства на линии начинает посылать команду чтения или записи в регистры управления ведомого устройства. Затем ведущее устройство начинает посылать данные или принимать их.

По такому принципу работает шина 1 – Wire.

Для реализации такого интерфейса используется обычно вывод какого – либо порта для передачи команд термодатчику и приёма одного байта информации о температуре.

Все необходимые задержки формируются командами процессора [12].

5.3 Избирательные RC – усилители

Электрические фильтры находят широкое применение в радиотехнике и автоматике, измерительной и вычислительной технике, в акустике и сейсмологии. Они выполняют разнообразные функции: выделение и преобразование полезного сигнала, устранение помех и наводок в электрических цепях, анализ частотного спектра сигналов и шумов, коррекцию АЧХ высококачественных усилителей и обеспечение устойчивости систем автоматического регулирования.

До недавнего времени наиболее экономично и эффективно задачи фильтрации электрических сигналов решались с использование LC - фильтров. Однако на ряду с достоинствами (достаточной частотной стабильностью, связанной с малой чувствительностью параметров фильтров к разбросу L и C, низким уровнем шумов, возможностью простой реализации разнообразных частотных характеристик) LC – фильтры имеют ряд существенных недостатков: большие масса и габариты (особенно на низких частотах), сложность и высокая стоимость изготовления, малая помехоустойчивость к электромагнитным полям, нелинейность, связанная с насыщением материала магнитопровода. Несовременным представляется использование в радиоэлектронной аппаратуре экранированных катушек индуктивности, занимающую большую часть объёма и определяющих основную массу изделия. Попытки уменьшения габаритов катушек индуктивности не приносят положительных результатов, поскольку добротность уменьшается квадрату её линейных размеров. Именно поэтому все попытки реализации катушек индуктивности методами интегральной технологии привели к неудачам.