Основы построения кабельных сетей
Назначение физического уровня – передать данные в виде потока бит от одной машины к другой. Для передачи можно использовать разные физические среды. Каждая из сред имеет свои уникальные характеристики, такие как полоса пропускания, пропускная способность, задержка, стоимость, простота прокладки, сложность в обслуживании. Кроме них важно учитывать также такие характеристики как, например, достоверность передачи, затухание, помехоустойчивость и т.д.
Витая пара является самой старой и все еще используемой средой передачи. Витки обеспечивают компенсацию паразитных э.д.с., наведенных от сторонних магнитных полей, и чем ближе находятся витки, тем эффективнее компенсация. Поэтому одним из важных параметров витой пары является количество витков на метр длины, а также равномерность шага скручивания по длине кабеля.
В одном кабеле могут находиться несколько витых пар, покрытых общей защитной оболочкой. Оболочка предохраняет кабель от механических повреждений и повышает напряжение изоляции жил относительно внешних проводников.
Для уменьшения влияния внешних электромагнитных полей на кабель используется экранирование. Экранированными могут быть отдельные жилы кабеля, витые пары или весь кабель. Используются также различные комбинации перечисленных вариантов. По международному стандарту EIA/TIA экранированная витая пара обозначается как STP (Shielded Twisted Pair), неэкранированная - UTP (Unshielded Twisted Pair). Экран может быть плетеным, из медных проволок, или сплошной, из алюминиевой фольги.
|
|
|
В кабеле, состоящем из нескольких витых пар, наблюдается наводка сигнала из одной витой пары в другую за счет явления электромагнитной индукции и емкостной связи. Для контроля уровня наводок используют параметры NEXT и FEXT. Параметр NEXT (Near-End crossTalk) измеряется как отношение наведенного напряжения на одной витой паре к амплитуде напряжения, приложенного к другой витой паре на одном и том же конце кабеля. NEXT играет важную роль при одновременной передаче сигналов в кабеле в противоположных направлениях, поскольку ослабленный сигнал, прошедший по кабелю, может оказаться более слабым, чем наводка из соседней витой пары.
При передаче двух сигналов по двум соседним витым парам в кабеле важен параметр FEXT (Far-End Crosstalk), который измеряется как отношение напряжения между выводами витой пары на одном конце кабеля к приложенному напряжению к другой витой паре на противоположном конце кабеля.
Параметры кабеля определяют надежность и дальность передачи информации. С ростом скорости передачи требования к кабелю и его стоимость возрастают. В зависимости от диапазона частот по стандарту EIA/TIA 568 кабели делятся на категории:
|
|
|
o категория 1 - кабель из не витой пары проводов для передачи речи. Имеет наихудшие характеристики и не используется для передачи данных;
o категория 2 - кабель для передачи данных в полосе частот до 1 МГц;
o категория 3 - кабель для передачи данных в полосе частот до 16 МГц. Состоит из витых пар с 9-ю витками на метр длины. Имеет волновое сопротивление 100 Ом;
o категория 4 - кабель для передачи данных в полосе частот до 20 МГц. Мало отличается от категории 3 и поэтому стандартом рекомендуется при необходимости переходить с категории 3 сразу на категорию 5, минуя 4;
o категория 5 - кабель для передачи данных в полосе частот до 100 МГц. Имеет 27 витков на метр длины и волновое сопротивление 100 Ом;
o категория 5е (здесь "e" - от слова "enhanced' - "улучшенный") - отличается от категории 5 большим количество витков и лучшим параметром NEXT.
o категория 6 - кабель для передачи данных в полосе частот до 200 МГц;
o категория 7 - кабель для передачи данных в полосе частот до 600 МГц.
- В табл. 4.1 приведены стандартные значения параметра NEXT для кабелей разных категорий.
| Таблица 4.1. Значения параметра NEXT для кабелей разных категорий | |||||
| Частота, МГц
| Параметр NEXT | ||||
| Категория 3 | Категория 4 | Категория 5 | |||
| 0,150 | -54 | -68 | -74 | ||
| 0,772 | -43 | -58 | -64 | ||
| 1,0 | -41 | -56 | -62 | ||
| 4,0 | -32 | -47 | -53 | ||
| 8,0 | -28 | -42 | -48 | ||
| 10,0 | -26 | -41 | -47 | ||
| 16,0 | -23 | -38 | -44 | ||
| 20,0 | - | -36 | -42 | ||
| 25,0 | - | - | -41 | ||
| 31,25 | - | - | -40 | ||
| 32,5 | - | - | -35 | ||
| 100,0 | - | - | -32 | ||
Волновое сопротивление идеального кабеля не зависит от частоты. Однако в реальности частотная зависимость имеется и определяется частотной зависимостью диэлектрической проницаемости материала изолятора и технологической неоднородностью кабеля по его длине. Стандарт TIA/EIA 568 требует, чтобы разброс волнового сопротивления кабеля находился в пределах от 85 до 115 Ом (100 Ом ±15%) для кабелей 3, 4 и 5 категории в рабочем диапазоне частот.
Омическое сопротивление типового кабеля сечением 0,33 кв.мм. составляет 56 Ом/км. На низких частотах это сопротивление определяет максимальную дальность передачи сигнала по кабелю. На высоких частотах начинает играть роль емкостное сопротивление между жалами кабеля, которое является основной причиной ослабления (затухания) сигнала, передаваемого по кабелю. В табл.4.2 приведены значения затухания для кабелей 3, 4 и 5 категории при температуре +20 ˚С и длине кабеля 305 м.
|
|
|
| Таблица 4.2. Зависимость коэффициента затухания кабелей от частоты | |||
| Частота, МГц | Коэффициент затухания, дБ/100 м | ||
| Категория 3 | Категория 4 | Категория 5 | |
| 0,064 | 2,8 | 2,3 | 2,2 |
| 0,256 | 4,0 | 3,4 | 3,2 |
| 0,512 | 5,6 | 4,6 | 4,5 |
| 0,772 | 6,8 | 5,7 | 5,5 |
| 1,0 | 7,8 | 6,5 | 6,3 |
| 4,0 | 17 | 13 | 13 |
| 8,0 | 26 | 19 | 18 |
| 10,0 | 30 | 22 | 20 |
| 16,0 | 40 | 27 | 25 |
| 20,0 | - | 31 | 28 |
| 25,0 | - | - | 32 |
| 31,25 | - | - | 36 |
| 62,5 | - | - | 52 |
| 100 | - | - | 67 |
Коаксиальные кабели используются для высокочастотных подключений до диапазона СВЧ порядка 2 ГГц, где уже начинается использование волноводов.
Волновое сопротивление зависит от отношения диаметров окружающего экрана и внутреннего проводника. Есть два основных вида коаксиальных кабелей: узкополосный с волновым сопротивлением 50 Ом и широкополосный с волновым сопротивлением 75 Ом.
Коаксиальные кабели подобно витой паре имеют два проводника. Однако устроены они иначе: центральный проводник представляет собой медную проволоку, окруженную изолятором. Эта конструкция помещается внутри второго цилиндрического проводника, который обычно представляет собой сплетенную плотную металлическую сетку. Все это закрывается плотным защитным слоем пластика. Обычно толщина больше, поэтому монтировать и прокладывать его сложнее, чем витую пару. Однако у коаксиального кабеля полоса пропускания шире и характеристики по затуханию сигнала лучше, чем у витой пары. Поэтому эти кабели применяют на больших расстояниях и по ним могут передавать одновременно несколько потоков данных от разных компьютеров.
Волоконно-оптические линии одно из наиболее интенсивно развиваемых направлений. Для использования оптической связи нужен источник света, светопроводящая среда, детектор, преобразующий световой поток в электрический. На одном передающем конце волоконно-оптической линии находится источник света, световой импульс от этого источника проходит по тонкому светопроводящему волокну и попадает на детектор, который преобразует этот импульс в электрический.
Электрические шумы и помехи
Помехи, или шумы, можно определить как паразитные электрические сигналы, которые искажают исходный (полезный) сигнал. Во многих случаях помехи носят непредсказуемый характер и могут генерироваться как внутри самой системы (внутренние помехи), так и иметь внешний источник (внешние помехи).
Примеры источников помех:
• внутренние помехи;
• тепловые шумы (вызываемые движением электронов по электрическим цепям);
• несовершенство конструктивной разработки;
• внешние помехи;
• естественные причины (электростатические помехи и электромагнитные бури);
• электромагнитные помехи от токов, протекающих в кабелях;
• радиочастотные помехи от радиосистем, передающих сигналы.
Общепринятые способы уменьшения помех заключаются в следующем:
• экранирование сигнальных проводов;
• увеличение расстояния между источником помех и сигналом;
• качественное заземление экрана и использование свитых сигнальных проводов.
Помехи необходимо учитывать только в том случае, если они накладываются на передаваемый сигнал, несущий информацию. Электронные схемы приемников, предназначенных для цифровых коммуникаций, используют широкий диапазон напряжений, представляющих двоичный бит «1» или «0». Чтобы при передаче данных произошла ошибка, напряжение помех должно быть достаточно большим, способным вывести сигнал вне заданных пределов.
Отношение напряжения сигнала к напряжению помех определяет величину сигнала по отношению к помехам. Это отношение называется отношением сигнал/шум (SNR) и является важным в оценке качества работы коммуникационной системы. При передаче данных напряжение сигнала является относительно постоянным и определяется напряжением источника сигнала (передатчика), а также падением напряжения на линии, вызванным сопротивлением кабеля (его сечением и длиной). Таким образом, отношение сигнал/шум является мерой количества помех в канале связи и обычно выражается в децибелах (дБ):
.
Чем выше отношение сигнал/шум, тем легче обеспечить приемлемую работу.
При передаче данных более подходящим показателем производительности канала связи является частота ошибок по битам (BER). Она является мерой количества успешно принятых битов по сравнению с количеством ошибочных битов. Между SNR и BER имеется определенная связь. По мере увеличения SNR частота появления ошибок падает.
Еще одним способом оценки влияния помех является анализ их частотного спектра, при котором помехи можно разделить на две группы (рис. 5.1):
• широкополосные шумы;
• шумы в определенном частотном диапазоне.
Импульсные помехи вызываются кратковременными возмущениями работы электрических устройств, например, пуском электродвигателя, или мощными элементами коммутации
.
Рисунок 5.1. Относительный уровень спектральной плотности мощности и частота основных источников электромагнитных помех
Помехи с определенной частотой характеризуются постоянством частоты, но их величина может зависеть от расстояния, на котором коммуникационная система находится от источника шумов, амплитуды шумового сигнала. Данная группа помех типична для всех систем питания. Помехи этой группы могут быть уменьшены разнесением системы передачи данных и источника питания.
Поскольку этот тип помех имеет предсказуемый частотный спектр, защиту от них можно заложить на этапе конструирования системы. Часто для уменьшения подобного типа помех используются фильтры.
Существуют следующие типы воздействия электрических помех на чувствительные цепи передачи данных:
• импедансная (резистивная) связь;
• электростатическая (емкостная) связь;
• магнитная (индуктивная) связь;
• радиочастотное излучение (сочетание электростатической и магнитной связи).
Импедансная связь – это помеха, которая передается из соседних электрических цепей не через электромагнитное поле, а путем переноса электрического тока по общим для обеих цепей проводникам, в основном через общие участки цепей заземления или питания (рис. 5.2).
Рисунок 5.2. Иллюстрация импедансной связи.
Самым простым способом устранения влияния импедансной связи является минимизация импеданса обратного провода, а также использование симметричной цепи с разными обратными проводами для каждого отдельного сигнала.
Электростатическая или емкостная связь порождает помехи, уровень которых пропорционален емкости между источником помех и сигнальными проводами. Интенсивность помехи зависит от скорости изменения напряжения помехи и от емкости между цепью помехи и сигнальной цепью. Величина напряжения помех в сигнальных проводах обратно пропорциональна:
• расстоянию от источника шумов до сигнальных проводов;
• длине сигнальных проводов, на которые наводятся помехи;
• амплитуде (величине) напряжения помех;
• частоте напряжения помех.
Существуют следующие способы уменьшения уровня помех, вызываемых электростатической связью:
• экранирование и скручивание сигнальных проводов;
• отдаление от источника помех;
• уменьшение амплитуды напряжения помех (и, по возможности, частоты).
При индуктивной связи уровень помех зависит от скорости изменения тока помехи и взаимоиндукции между источником помех и сигнальными проводами. Уровень помех, вызываемых магнитной связью, обратно пропорционален расстоянию от источника помех до сигнальных проводов и зависит от:
• амплитуды тока помехи;
• частоты тока помехи;
• площади, охватываемой сигнальными проводами (через которую проходит магнитный поток тока помехи).
Модемы и мультиплексоры
Каналы связи не могут напрямую передавать цифровую информацию абсолютно без искажения сигнала. Это несоответствием характеристик передаваемых цифровых сигналов и параметров каналов связи. Для преобразования цифровых сигналов, генерируемых передающим компьютером, в аналоговый вид, подходящий для передачи на длинные расстояния, необходимо устройство преобразования, называемое модемом (модулятор/демодулятор). Демодулятор в модеме принимает аналоговую информацию и преобразует ее обратно в исходную цифровую информацию.
Модемы могут работать в двух режимах передачи: полудуплексном и дуплексном. Дуплексный режим более эффективен, чем полудуплексная, но требует коммуникационной емкости по крайней мере вдвое большей, чем полудуплексный.
Модемы используют один из двух способов передачи данных: асинхронный и синхронный. При асинхронной передаче каждый символ кодируется с использованием стартового бита, помещаемого в начале потока битов и стопового бита в конце. Стартовый бит позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком, чтобы приемник начал считывать каждый посылаемый символ. После того как стоповый символ будет принят, канал связи возвращается к состоянию паузы, а приемник ожидает следующего стартового бита, который указывает на поступление следующего символа.
При синхронной передаче все символы передаются в виде непрерывного потока. Первые несколько битов сообщения (преамбула) содержат данные, позволяющие приемнику синхронизировать свои таковые импульсы со скоростью поступающего потока. Приемник следует за поступающим потоком данных и поддерживает близкую синхронизацию между тактовыми импульсами передатчика и приемника. Синхронная передача обеспечивает большие скорости передачи, но она не часто используется из-за большей технической сложности коммуникационного оборудования.
Модуляция изменяет характеристики несущего сигнала, который может быть представлен гармоническим колебанием:
,
где: F(t) — мгновенное значение сигнала в момент времени t; A — максимальная амплитуда; f — частота; φ — фазовый угол.
Существует несколько способов модуляции: амплитудная, частотная, фазовая, многопозиционная.
При амплитудной модуляции амплитуда несущей сигнала изменяется в соответствии с двоичным потоком поступающих данных. Используется достаточно редко при низких скоростях передачи данных, т.к. при таком способе имеется трудность в различении сигнала на фоне помех, которые проявляются в виде изменения амплитуды сигнала.
При частотной модуляции логическими 0 и 1 сопоставляются различные частоты. Используется, в основном, модемами, работающими со скоростями передачи данных до 300 бит/с при полнодуплексных режимах и 1200 бит/с при полудуплексных режимах.
При фазовой модуляции изменяется фаза несущей.
Вне зависимости от способа модуляции любой модем можно представить в виде набора компонентов (рис. 6.1).
Все компоненты модема можно разделить на две части: передатчик и приемник. Передатчик модема состоит из следующих узлов:
• устройство кодирования данных – принимает последовательный поток битов и использует многоуровневое кодирование, при котором каждое изменение сигнала представляет несколько битов данных;
• модулятор – преобразует сформированный кодером сигнал в подходящую аналоговую форму с помощью выбранного способа модуляции;
• усилитель – увеличивает уровень сигнала до приемлемого значения, подходящего для линии и производит согласование с волновым сопротивлением линии.
 |
Рисунок 6.1. Компоненты модема
Приемник модема состоит из следующих узлов:
• фильтр и усилитель – производит удаление помех и усиление принимаемого сигнала;
• эквалайзер – уменьшает влияние ослабления на различные частотные компоненты переданного сигнала;
• демодулятор – извлекает поток битов из аналогового сигнала;
• устройство декодирования данных – воспроизводит окончательный поток битов в необходимом формате (например, RS-232).
Мультиплексирование позволяет использовать существующую линию или канал связи для передачи нескольких сообщений за один раз и имеет потенциал для резкого увеличения производительности линии.
Демультиплексирование является процессом извлечения отдельных сообщений канала из мультиплексированных данных.
Возможны следующие способы мультиплексирования: частотное разделение каналов и временное разделение каналов.
Частотное разделение каналов применяется в тех случаях, когда каждым каналом используются отдельные частоты, обеспечивая несколько отдельных каналов, передаваемых по одному электрическому кабелю. Используется тогда, когда ширина полосы канала связи шире, чем ширина полосы отдельного сообщения, передаваемого по каналу.
Для многих пользователей коммуникационных систем возможно временное разделение физических каналов путем подключения каждого сигнала на короткий промежуток времени.
Протоколы
Протокол обмена — набор правил, которые управляют обменом информацией, определяющий синтаксис и семантику сообщений, операции управления, синхронизацию и состояния при коммуникации. Протокол может быть реализован аппаратно, программно или программно-аппаратно.
HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer — магистральный адресуемый удаленный преобразователь) включает в себя не только протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи. HART находит применение для связи контроллера с датчиками и измерительными преобразователями, электромагнитными клапанами, локальными контроллерами, для связи с искробезопасным оборудованием. HART в рамках модели OSI представлен в табл. 7.1.
Таблица 7.1- Модель OSI HART-протокола
| № уровня | Название уровня | HART |
| 7 6 5 4 3 2 1 | Прикладной Уровень представления Сеансовый Транспортный Сетевой Канальный Физический | НART-команды, ответы, типы данных Нет Нет Нет Нет Ведущий/ведомый, контрольная сумма, контроль четности, организация потока битов в сообщение, контроль приема сообщений Наложение цифрового ЧМ сигнала на аналоговый 4...20 мА; медная витая пара |
HART проектировался с учетом обеспечения совместимости со стандартом «токовая петля» и обладает дополнительным возможностями, необходимыми для управления интеллектуальными устройствами: аналоговая «токовая петля» 4...20 мА была модернизирована для получения возможности полудуплексного цифрового обмена данными. Для этого аналоговый сигнал суммируется с цифровым сигналом (рис. 7.1) и суммарный сигнал передается с помощью источника тока 4...20 мА по линии связи. Благодаря сильному различию диапазонов частот аналогового (0...10 Гц) и цифрового (1,2 и 2,2 кГц) сигналов они легко могут быть разделены фильтрами низких (ФНЧ) и высоких ФВЧ) частот в приемном устройстве. При передаче цифрового двоичного сигнала логическая единица кодируется синусоидальным сигналом с частотой 1,2 кГц, ноль — 2,2 кГц. При смене частоты фаза колебаний остается непрерывной. Принцип взаимодействия устройств на физическом уровне OSI показан на рис.7.2.
Начало взаимодействия устройств инициирует контроллер. Цифровой сигнал от источника напряжения Е~ через конденсатор подается в линию передачи и принимается на стороне датчика в форме напряжения в диапазоне от 400 до 800 мВ. Приемник датчика воспринимает HART-сигналы в диапазоне от 120 мВ до 2 В, сигналы от 0 до 80 мВ приемником игнорируются. Получив запрос, датчик формирует ответ, который в общем случае может содержать как аналоговый сигнал A(t)2, так и цифровой D(t)2. Аналоговый сигнал обычно содержит информацию об измеренной величине, а цифровой — о единицах и диапазоне измерения, о выходе величины за границы динамического диапазона, о типе датчика, имени изготовителя и т.п.
Суммарный сигнал передается в линию связи в форме тока. На стороне контроллера ток преобразуется в напряжение резистором R11 . Полученный сигнал подается на ФНЧ с частотой среза 10 Гц и на ФВЧ с частотой среза 400...800 Гц. На выходе фильтров выделяются цифровой сигнал D(t)2 и аналоговый A(t)2.
В частном случае HART-протокол может использовать только цифровой сигнал, без аналогового, или только аналоговый сигнал 4...20 мА, без цифрового.
HART-устройства всегда содержат микроконтроллер (рис. 7.3) с UART и ППЗУ (перепрограммируемое ПЗУ). Цифровой сигнал, сформированный микроконтроллером, преобразуется в UART в непрерывную последовательность бит, состоящую из двоичных слов длиной 11 бит каждое. Сформированная таким образом последовательность нулей и единиц передается в модем, выполняющий частотную модуляцию. Полученный ЧМ сигнал передается в интерфейсный блок для формирования напряжения, подаваемого в линию связи (от контроллера к датчику передается сигнал в форме напряжения, а обратно — в форме тока).
На стороне датчика сигнал принимается из линии интерфейсным блоком, преобразуется ЧМ-модемом в последовательность битов, которая поступает на контроллер.
Получив команду, контроллер приступает к ее выполнению. Если пришла команда запроса измеренных данных, контроллер датчика принимает через АЦП сигнал датчика, преобразует его в аналоговую форму с помощью ЦАП, суммирует со служебной информацией на выходе ЧМ модема и передает в линию связи в форме тока 4...20 мА.
Описанный выше обмен информацией между двумя устройствами (типа «точка-точка») является наиболее типичным применением HART-протокола. Однако HART-устройства могут быть объединены в сеть. Для этого используют только цифровую часть HART- протокола, а информация передается в форме напряжения, что позволяет соединять HART-устройства параллельно. Максимальное количество устройств в сети может составлять 15. HART-сеть может иметь произвольную топологию, поскольку при малых скоростях передачи (1200 бит/с) эффектов, характерных для длинных линий, не возникает. В сети могут быть два ведущих устройства. Сеть допускает горячую замену или добавление новых устройств (т.е. без отключения питания). В случае сбоя, например при случайном коротком замыкании, сеть повторяет невыполненные операции обмена.
В HART-сети только один узел может посылать сигнал, в это время остальные «слушают» линию. Инициирует процедуру обмена ведущее устройство (контроллер или ручной коммуникатор). Ведомые получают команду и посылают ответ на нее. Каждое ведомое устройство имеет персональный сетевой адрес, который включается в сообщение ведущего устройства. Адрес имеет длину 4 бита (короткий адрес) или 38 бит (длинный адрес).
Сеть на основе HART-протокола может подключаться к другим сетям (Modbus, Profibus, Ethernet) с помощью соответствующих шлюзов. В сети также широко используются мультиплексоры, позволяющие подключить к одному контроллеру несколько HART-сетей и одновременно выполнить роль шлюза. Для подключения сети или HART-устройства к компьютеру необходим специальный HART-интерфейс.
CAN (Controller Area Network — область, охваченная сетью контроллеров) представляет собой комплекс стандартов для построения распределенных промышленных сетей, который использует последовательную передачу данных в реальном времени с очень высокой степенью надежности и защищенности. Центральное место в CAN занимает протокол канального уровня модели OSI. CAN – это хорошо продуманный и современный сетевой протокол. Среди протоколов прикладного уровня для работы с CAN наибольшее распространение получили CANopen и DeviceNet.
CAN охватывает два уровня модели OSI — физический и канальный (табл. 7.2). Стандарт не предусматривает никакого протокола прикладного (7-го) уровня модели OSI, поэтому для его воплощения разработаны несколько несколько дополнительных протоколов: CANopen, SDS, CAN Kingdom, DeviceNet.
|
Таблица 7.2. CAN в соответствии с моделью OSI | |||
| № | Название уровня | Подуровни CAN | Примечание |
| 7 | Прикладной | Стандартом CAN не установлен. Определен стандартами, CANopen, DeviceNet, SDS, CAN, Kingdom и др. | |
| 6 | Представления | Нет | Нет |
| 5 | Сеансовый | Нет | Нет |
| 4 | Транспортный | Нет | Нет |
| 3 | Сетевой | Нет | Нет |
| 2 | Канальный (передачи данных) | LLC | Подтверждение фильтрации, уведомление о перегрузке, управление восстановлением данных |
| МАС | Формирование пакетов данных, кодирование, управление доступом, обнаружение ошибок, сигнализация об ошибках, подтверждение приема, преобразование из последовательной формы в параллельную и обратно | ||
| 1 | Физический | Физический | Обеспечение надежной передачи на уровне байтов (кодирование, контрольная сумма, временные диаграммы, синхронизация). Требования к линии передачи |
Примечание: MAC - Medium Access Control - "управление доступом к каналу"; LLC - Logical Link Control - "управление логическими связями".
CAN характеризуется следующими основными свойствами:
• каждому сообщению (а не устройству) устанавливается свой приоритет;
• гарантированная величина паузы между двумя актами обмена;
• гибкость конфигурирования и возможность модернизации системы;
• широковещательный прием сообщений с синхронизацией времени;
• непротиворечивость данных на уровне всей системы;
• допустимость нескольких ведущих устройств в сети (многомастерная сеть);
• способность к обнаружению ошибок и сигнализации об их наличии;
• автоматический повтор передачи сообщений, доставленных с ошибкой, сразу, как только сеть станет свободной;
• автоматическое различение сбоев и отказов с возможностью автоматического отключения отказавших модулей.
К недостаткам можно отнести сравнительно высокую стоимость CAN-устройств, отсутствие единого протокола прикладного уровня, а также чрезмерную сложность и запутанность протоколов канального и прикладного уровня.
Физический уровень модели OSI обеспечивает надежную передачу битов, игнорируя содержание передаваемой информации. В качестве линии передачи в большинстве случаев используется витая пара, хотя допускается использовать плоский кабель или один провод и «корпусную землю», оптоволокно, радиоканал.
Кабель витой пары в сети CAN должен иметь общий (третий) провод, на обоих концах витой пары должны быть согласующие резисторы, сопротивление которых равно волновому сопротивлению кабеля. Максимальная длина кабеля составляет 1 км. Для увеличения длины, количества узлов или гальванической развязки могут быть использованы повторители интерфейса, сетевые мосты и шлюзы.
Витая пара может быть в экране или без, в зависимости от электромагнитной обстановки. Топология сети должна быть шинной, максимальная длина отвода от шины при скорости передачи 1 Мбит/с не должна превышать 30 см. Основные требования к линии передачи и ее характеристикам близки к RS-485, однако в передатчиках CAN есть режим управления длительностью фронтов импульсов. Управление выполняется путем заряда емкостей затворов выходных транзисторов от источников тока, при этом величина тока задается внешним резистором. Увеличение длительности фронта позволяет снизить требования к согласованию линии на низких частотах, увеличить длину отводов и ослабить излучение электромагнитных помех.
Выводы «земли» всех передатчиков сети должны быть соединены (если интерфейсы гальванически не изолированы). При этом разность потенциалов между выводами заземлений не должна превышать 2 В. Гальваническая изоляция рекомендуется при длине линии более 200 м, но не является обязательным требованием стандарта.
Стандарт устанавливает следующие скорости обмена: 1000, 800, 500, 250, 125, 50 и 20 кбит/с. CAN-модули могут поддерживать не все скорости, но желательно, чтобы их количество было наибольшим.
Типовая структура трансивера CAN приведена на рис. 7.4. При подаче уровня логического нуля на вход (вход является инвертирующим) оба транзистора выходного каскада передатчика открываются и через нагрузку (два резистора по 120 Ом) течет ток, создающий в линии состояние, соответствующее логической единице. При этом потенциал вывода СAN_Н всегда будет выше, чем вывода CAN_L. При логической единице на входе передатчика его выход переходит в высокоомное состояние и дифференциальное напряжение на линии становится равным нулю. Наличие терминальных резисторов в CAN необходимо не только для согласования линии (как в случае RS-485), но и для создания пути протекания тока.
CAN-передатчик имеет очень важное свойство: если один из передатчиков устанавливает в сети логический ноль, а второй — логическую единицу, то это состояние не является аварийным, как в сети на основе интерфейса RS-485, поскольку сквозного тока не возникает, а CAN-линия остается в состоянии логической единицы, т.е. логическая единица всегда доминирует над логическим нулем. Поэтому в стандарте CAN используется понятие «доминантное состояние» линии для обозначения состояния линии с током и понятие «рецессивное состояние» как противоположное доминантному (рис. 7.5).
Рисунок 7.4. Структурная схема трансивера CAN
Рисунок 7.5. Пояснение понятий рецессивного и доминантного состояния
Это свойство CAN обеспечивает возможность получения доступа к линии, сравнивая посылаемые в линию логические уровни с тем уровнем, который фактически устанавливается в ней: если передатчик посылает в линию рецессивное состояние, а в ней при этом остается доминантное, значит линия занята. Доступ получает тот узел сети, который может предоставить ей доминантный уровень сигнала. Узлы с рецессивным уровнем покидают линию и ждут следующего случая. Этот метод доступа справедлив и при использовании оптоволоконного канала или беспроводной сети - в этих случаях наличие света или электромагнитной волны всегда будет доминировать над их отсутствием.
Стандартом предусмотрена возможность подключения к CAN-сети любого количества устройств, однако практически оно ограничивается нагрузочной способностью передатчиков (100...200) или задержкой в повторителях.
В CAN-трансивере имеется генератор синхроимпульсов с частотой 16 МГц. Ширина одного бита программно устанавливается величиной от 8 до 25 импульсов синхрогенератора, обычно 8 импульсов при скорости передачи 1 Мбит/с и 16 импульсов при 20 кбит/с. Синхронизация всех узлов сети происходит в течение первого такта синхронизации.
Отсутствие собственного прикладного уровня у CAN привело к появлению множества несовместимых между собой протоколов прикладного уровня, среди которых самыми распространенными являются CANopen и DeviceNet.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 126; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!