Н. Ракович

Сети microLAN: практика применения. Последовательность выполнения команд

Любой цикл обмена данными по шине microLAN начинается с передачи ведущим шины импульса сброса. По этому импульсу прекращается всякий обмен на шине и происходит вывод всех приборов в сети из состояния ожидания. Отметим, что отключение прибора от шины аналогично подаче импульса сброса неограниченной длительности. Последовательность работы прибора microLAN после подключения к шине полностью идентична последовательности работы после подачи импульса сброса.

После получения импульса сброса все приборы в сети формируют импульс присутствия. Импульс присутствия сообщает ведущему шины, что к шине подключен хотя бы один прибор. Вследствие этого необходимо провести их идентификацию. После передачи импульса присутствия все приборы на шине переходят на сетевой уровень и ожидают команд идентификации. В качестве идентификатора каждого прибора используется его уникальный серийный номер, записанный в ПЗУ.

Поскольку для идентификации и адресации приборов в сети используется область ПЗУ, то все команды, относящиеся к сетевому уровню, названы командами ПЗУ. Краткие сведения о них приведены в табл. 1.

После выполнения любой команды ПЗУ прибор переходит на транспортный уровень.

Однопроводной интерфейс

Сеть microLAN состоит из трёх составляющих: ведущего шины, кабеля, разъёмов и однопроводных приборов. Схема сети приведена на рис. 1. Ведущий шины имеет источник питания постоянного напряжения, нагрузочный резистор Rpullup, включенный между линией данных и источником питания, и ключ между линией данных и возвратным проводом. Кабель между ведущим шины и однопроводными приборами представлен в виде индуктивности и сопротивления как линии данных, так и возвратного провода, а также сосредоточенной ёмкостью кабеля. Емкость кабеля определяется как произведение длины кабеля на его погонную ёмкость. Для рекомендованной витой пары категории 5 типовое значение составляет 50 пФ/м. Аналогично определяется сопротивление и индуктивность линии: произведение длины кабеля на погонное сопротивление (индуктивность) провода. Сопротивление возвратной линии состоит из сопротивления линии данных и дополнительных 15 Ом для каждого адресуемого переключателя между ведущим шины и наиболее отдалённой ветвью.

Однопроводной прибор представлен входной ёмкостью Сin, постоянным током разряда Idisc, схемой паразитного питания (Di, Ri, Cload) и рабочим током Iop = 10 мкА при установлении связи с ведущим шины. Внутренний источник тока (5 мкА) необходим для синхронизации интерфейса прибора с протоколом связи. При проведении связи сопротивление открытого ключа (полевой транзистор порта) однопроводного прибора составляет порядка 100 Ом, что обеспечивает уровень нуля 0,4 В при нагрузке 4 мА. Если в сети находится несколько приборов, то для нахождения общих значений величины Сin, Idisc, Iop, Cload одного прибора должны быть умножены на число всех приборов в сети, а значение Ri — разделено на число устройств. МОП-транзистор однопроводного прибора позволяет отвечать на команду ведущего шины, устанавливая на шине значение логического “0”. Важно подчеркнуть, что при чтении данных из адресованного прибора в проводящем состоянии находится только транзистор данного прибора. Транзисторы всех приборов в сети могут находиться в открытом состоянии одновременно только при выполнении команд: Обнаружение присутствия, Поиск ПЗУ, Пропуск ПЗУ, Чтение ПЗУ.

Увеличение числа приборов в сети приводит как к снижению запаса помехоустойчивости на уровне логического “0”, так и к увеличению емкостной нагрузки в сети, что, в итоге, негативно влияет на размеры сети. Входная ёмкость устройства присутствует на шине постоянно. Емкость конденсатора паразитного питания (600 пФ) влияет на сеть только при первой подаче питания и заряде этого конденсатора. Влияние ёмкости конденсатора паразитного питания проявляется также при её подзарядке, но это происходит при напряжении питания свыше 2,8 В и таким образом не увеличивает ёмкость системы в режиме установленной связи. Во время активизации новой ветви необходимо задержать начало связи на время заряда конденсаторов паразитного питания.

Влияние электрических характеристик кабеля на параметры сигналов в сети начинает сказываться при длине свыше 30 м. На рис. 2 и 3 приведены формы сигналов при переходе из “0” в “1” для кабелей категории 5 длиной 2 и 100 м для различного числа подключенных приборов.

Если длина кабеля не превышает 30 м, то его свойства практически не влияют на параметры сети. Более того, для ограниченного числа приборов в сети можно использовать плоский телефонный провод.

Емкость кабеля увеличивает не только постоянную времени сети, но и бросок тока в кабеле при включении ключа ведущего шины. Если ключ отключается до полной разрядки ёмкости линии, то остаточный ток и индуктивность кабеля создают в линии бросок напряжения, способный нарушить связь.

Этот выброс (рис. 4) вызван дифференциальной индуктивностью, которая значительно меньше индуктивности отдельного провода и в идеальном случае равна нулю. Поскольку дифференциальная индуктивность снижается с уменьшением расстояния между проводниками линии, предпочтительно использовать витую пару. Преимущества её использования при создании сети microLAN приведены ниже.

Оптимизация microLAN

Как уже отмечалось, в качестве ведущего шины может использоваться любой персональный компьютер с UART, работающим со скоростью 115,2 Кбайт/с. Однако, для согласования уровней интерфейса RS-232 с 5-В шиной microLAN необходим адаптер. В большинстве случаев использования сети microLAN применяется стандартный адаптер последовательного порта DS9097, схема которого приведена на рис. 5. Питание адаптера осуществляется через СОМ-порт. Заметим, что в схеме адаптера максимально используются выходы UART с дополнительным ограничивающим диодом и диодом сдвига уровня. У этой простой и надёжной схемы есть только один недостаток — отсутствие “истинной земли”, то есть возвратный провод не является “землёй”.

В том случае, когда возвратный провод должен быть заземлён, необходим адаптер “истинной земли”. Его схема приведена на рис. 6. В качестве источника питания используется напряжение на линиях DTR, RTS последовательного порта, поступающее через диоды Шоттки CR1, CR2 и конденсатор С1. Напряжение питания 5 В формируется на выходе стабилизатора LP2980 с малым падением напряжения даже при напряжении на входе 5,1 В. Диод CR3 и конденсатор С3 обеспечивают отрицательное напряжение питания для работы ИС DS275 передатчика RS-232 при чтении данных по линии TXD. Эта микросхема непосредственно подключается к шине microLAN и преобразует уровни КМОП/ТТЛ в уровни RS-232. При использовании компонентов для поверхностного монтажа схема адаптера может быть смонтирована на плате размерами 15х23 мм и размещена в корпусе переходного разъёма DB9/RJ-11.

Адаптер “истинной земли”, помимо согласования уровней RS-232 и шины microLAN, выполняет также регулировку скорости спада сигнала. Транзистор Q1 (рис. 6) и компоненты затвора ограничивают скорость спада до 1,1 В/мкс, то есть переход из “1” в “0” (от уровня 10% до уровня 90%) происходит за 4 мкс. Полевой транзистор с n-каналом — транзистор общего применения с характеристиками, некритичными при использовании в адаптере. Допустимо применение биполярного транзистора, например 2N2222, с соответствующими изменениями в схеме. Конденсатор С5 действует как первичный элемент управления скоростью спада. При длине сети до 50 м и числе приборов не более 50 этот конденсатор можно не устанавливать. Более эффективное управление скоростью спада осуществляется резистором R1 и конденсатором С4. Во время работы, когда TXD переключается с уровня -12 В до уровня +12 В, сигнал поступает на затвор Q1 через резистор R1. Скорость этого перехода определяется постоянной времени R1C4. Переход транзистора из “1” в “0” является синхронизацией во время цикла связи. Стабилитрон D1 защищает затвор Q1 от напряжений свыше +12 В и ниже -0,6 В. Ток стабилизации задаётся R1.

Оптимизация топологии сети

Максимальная эффективность сети microLAN при заданном числе узлов достигается при минимальной нагрузке сети. Как показывают расчёты, оптимальное число ветвлений на каждом уровне равно 3,6 и не зависит от числа приборов в сети. Отметим, что это относится к конфигурации, при которой на каждой ветви, помимо адресуемых переключателей, расположена одна метка ветви, а оконечные устройства расположены только на наиболее удалённых ветвях сети. Поскольку дробное значение не может быть реализовано, было выбрано ближайшее целое — 4. В табл. 2 приведены значения максимального числа приборов в сети и максимальной нагрузки на шине, в зависимости от числа уровней ветвления. Видно, что нагрузка на шине microLAN не является ограничением даже при 4096 устройствах на шине.

Пример построения сети, оптимизированной для обеспечения минимальной нагрузки на шине, приведён на рис. 7. Максимальная нагрузка на шине равна сумме числа адресуемых переключателей на активных ветвях шины, числа меток активных ветвей и числа рабочих устройств на наиболее удалённой ветви сети и составляет 20. Максимальное число рабочих устройств при этом — 256.

Защита от помех

Для связи приборов сети microLAN с ведущим шины важно обеспечить защиту системы от статического электричества и электромагнитного излучения. Все приборы microLAN имеют встроенную защиту от статического электричества. Надёжная защита со стороны ведущего шины обеспечивается диодами, ограничивающими отрицательные и положительные выбросы напряжения свыше 5 В. Основные требования при выборе защитных диодов — минимальные ёмкость перехода и время переключения.

При прокладке кабеля желательно использовать стандартный неэкранированный телефонный провод с витыми парами категории 5. Такой кабель выпускается с двумя или четырьмя парами проводов. Витая пара резко снижает влияние интерференционных помех от проходящих рядом силовых кабелей и аналоговых телефонных линий. Погонная ёмкость между проводниками пары составляет 50 пФ/м, между проводами различных пар — 30 пФ/м. При прокладке сети microLAN можно использовать любые проводники кабеля. Неиспользуемые провода кабеля должны быть оставлены свободными с обоих его концов, поскольку их заземление увеличивает емкостную нагрузку. Значительное увеличение емкостной нагрузки может привести к неработоспособности всей системы. Не рекомендуется прокладывать две сети microLAN по одному кабелю, так как емкостная и индуктивная связи внутри кабеля работают аналогично резонансному контуру. В зависимости от длины и параметров кабеля, резонансная частота может оказаться в диапазоне частот, используемых для связи microLAN, и так исказить форму импульсов, что передача данных станет невозможной.

Подробную информацию о сети MicroLAN и компонентах для её построения можно получить по адресу www.rainbow.msk.ru