Приемопередатчик шинный что это
Наверняка многие и вас знают или даже видели, каким образом управляются большие автоматизированные объекты, например, атомная станция или завод со множеством технологических линий: основное действо часто происходит в большой комнате, с кучей экранов, лампочек и пультов. Это комплекс управления обычно называется ГЩУ — главный щит управления для контроля за производственным объектом.
Наверняка вам было интересно, как всё это работает с точки зрения аппаратной и программной части, и какие там используются протоколы передачи данных. В этой статье мы разберемся, как различные данные попадают на ГЩУ, как подаются команды на оборудование, и что вообще нужно, чтобы управлять компрессорной станцией, установкой производства пропана, линией сборки автомобиля или даже канализационно-насосной установкой.
Нижний уровень или полевая шина — то, с чего всё начинается
Этот неясный для непосвященных набор слов используется, когда нужно описать средства общения устройств управления с подведомственным оборудованием, например, модулями ввода-вывода или измерительными устройствами.
Общая схема автоматизации промышленного объекта
Итак, электрический сигнал от датчика проходит некое расстояние по кабельным линиям (чаще по обычному медному кабелю с некоторым количеством жил), к которым подсоединяются несколько датчиков. Затем сигнал попадает в модуль обработки (модуль ввода-вывода), там он преобразуется в понятный контроллеру цифровой язык. Далее этот сигнал по полевой шине попадает непосредственно в контроллер, где и обрабатывается уже окончательно. На основе таких сигналов и строится логика работы самого контроллера. Существует и обратный путь: от контроллера команда управления по полевой шине попадает в модуль вывода, где преобразуется из цифрового вида в аналоговый и поступает по кабельным линиям к исполнительным механизмам и различным устройствам (на схеме выше не указаны).
Верхний уровень: от гирлянды до целой рабочей станции
Если оператору повезло больше, то в качестве верхнего уровня ему достанется панель оператора — некий плоскопанельный компьютер, который тем или иным образом получает данные для отображения от контроллера и выводит их на экран. Такая панель обычно монтируется на сам шкаф автоматики, поэтому взаимодействовать с ней приходится, как правило, стоя, что вызывает неудобства, плюс качество и размер изображения — если это малоформатная панелm — оставляет желать лучшего.
Ну и, наконец, аттракцион невиданной щедрости — рабочая станция (а то и несколько дублирующих), представляющая собой обычный персональный компьютер.
Для наглядного отображения информации на рабочих станциях и плоскопанельных компьютерах используют специализированное программное обеспечение — SCADA-системы. На человеческий язык SCADA переводится как система диспетчерского управления и сбора данных. Она включает в себя множество компонентов, таких как человеко-машинный интерфейс, визуализирующий технологические процессы, систему управления этими процессами, систему архивирования параметров и ведение журнала событий, систему управления тревогами и т.д. Всё это дает оператору полноценную картину происходящих на производстве процессов, а также возможность ими управлять и оперативно реагировать на отклонения от технологического процесса.
В общем-то, этот верхний уровень менее интересен, нежели полевая шина, поскольку этого верхнего уровня может вообще не быть (из серии нечего там смотреть оператору, контроллер сам разберется, что и как нужно делать).
Мало кто знает, но на седьмой день создания мира Бог не отдыхал, а создавал Modbus. Наравне с HART-протоколом, Modbus, пожалуй, самый старый промышленный протокол передачи данных, он появился аж в 1979 году.
Более того, регистр передачи данных Modbus является 16-битным, что сразу же накладывает ограничения на передачу типов real и double. Они передаются либо по частям, либо с потерей точности. Хотя Modbus до сих пор повсеместно используется в случаях, когда не нужна высокая скорость обмена и потеря передаваемых данных не критична. Многие производители различных устройств любят расширять протокол Modbus своим исключительным и очень оригинальным образом, добавляя нестандартные функции. Поэтому данный протокол имеет множество мутаций и отклонений от нормы, но все же до сих пор успешно живет в современном мире.
Протокол HART тоже существует с восьмидесятых годов, это промышленный протокол обмена поверх двухпроводной линии токовой петли, в которую напрямую включаются датчики 4-20 мА и другие приборы с поддержкой протокола HART.
Для коммутации линий HART используются специальные устройства, так называемые HART-модемы. Также существуют преобразователи, которые на выходе предоставляют пользователю уже, допустим, протокол Modbus.
Примечателен HART, пожалуй, тем, что помимо аналоговых сигналов датчиков 4-20 мА в цепи передается и цифровой сигнал самого протокола, это позволяет соединить цифровую и аналоговую часть в одной кабельной линии. Современные HART-модемы могут подключаться в USB-порт контроллера, соединяться по Bluetooth, либо же старинным способом через последовательный порт. Десяток лет назад по аналогии с Wi-Fi появился и беспроводной стандарт WirelessHART, работающий в диапазоне ISM.
Второе поколение протоколов или не совсем промышленные шины ISA, PCI(e) и VME
На смену протоколам Modbus и HART пришли не совсем промышленные шины, такие как ISA (MicroPC, PC/104) или PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), а также VME.
Контроллер и модули ввода-вывода в каркасе PXI на шине PCI. Источник: National Instruments Corporation
Все бы ничего с этими шинами ISA, PCI(e) и VME, особенно для тех времен: и скорость обмена не огорчает, и расположены компоненты системы в едином каркасе, компактно и удобно, горячей замены плат ввода-вывода может и не быть, но пока еще и не очень хочется.
Но есть ложка дегтя, и не одна. Распределенную систему довольно сложно построить в такой конфигурации, шина обмена локальная, нужно что-то придумывать для обмена данными с другими подчиненными или равноправными узлами, тот же Modbus поверх TCP/IP или какой другой протокол, в общем, удобств маловато. Ну и вторая не очень приятная штука: платы ввода-вывода обычно ждут на вход какой-то унифицированный сигнал, и гальванической развязки с полевым оборудованием у них нет, поэтому нужно городить огород из различных модулей преобразования и промежуточной схемотехники, что сильно усложняет элементную базу.
Промежуточные модули преобразования сигнала с гальванической развязкой. Источник: DataForth Corporation
Как работают современные промышленные шины и протоколы
А что теперь? К сегодняшнему дню классическая идеология построения автоматизированных систем немного поменялась. Роль сыграли множество факторов, начиная с того, что автоматизировать тоже должно быть удобно, и заканчивая тенденцией на распределенные автоматизированные системы с удаленными друг от друга узлами.
Пожалуй, можно сказать, что основных концепций построения систем автоматизации на сегодняшний день две: локализованные и распределенные автоматизированные системы.
В случае с локализованными системами, где сбор данных и управление централизовано в одном конкретном месте, востребована концепция некоего набора модулей ввода-вывода, соединенных между собой общей быстрой шиной, включая контроллер со своим протоколом обмена. При этом, как правило, модули ввода-вывода включают в себя и преобразователь сигнала и гальваническую развязку (хотя, разумеется, не всегда). То есть конечному потребителю достаточно понять, какие типы датчиков и механизмов будут присутствовать в автоматизированной системе, сосчитать количество требуемых модулей ввода-вывода для разных типов сигналов и соединить их в одну общую линейку с контроллером. В этом случае, как правило, каждый производитель использует свой любимый протокол обмена между модулями ввода-вывода и контроллером, и вариантов тут может быть масса.
В случае распределенных систем справедливо все, что сказано в отношении локализованных систем, кроме этого, важно, чтобы отдельные компоненты, например, набор модулей ввода-вывода плюс устройство сбора и передачи информации — не очень умный контроллер, который стоит где-нибудь в будке в поле, рядом с краном, который перекрывает нефть, — могли взаимодействовать с такими же узлами и с главным контроллером на большом расстоянии с эффективной скоростью обмена.
Как разработчики выбирают протокол для своего проекта? Все современные протоколы обмена обеспечивают довольно высокое быстродействие, поэтому зачастую выбор того или иного производителя обусловлен не скоростью обмена по этой самой промышленной шине. Не так важна и реализация самого протокола, потому что, с точки зрения разработчика системы, это все равно будет черный ящик, который обеспечивает некую внутреннюю структуру обмена и не рассчитан на вмешательство извне. Чаще всего обращают внимание на практические характеристики: производительность вычислителя, удобство применения концепции производителя к поставленной задаче, наличие нужных типов модулей ввода-вывода, возможность горячей замены модулей без разрыва шины и т.д.
Популярные поставщики оборудования предлагают собственные реализации промышленных протоколов: например, всем известная компания Siemens разрабатывает свою серию протоколов Profinet и Profibus, компании B&R — протокол Powerlink, Rockwell Automation — протокол EtherNet/IP. Отечественное решение в этом списке примеров: версия протокола FBUS от российской компании Fastwel.
Есть и более универсальные решения, которые не привязаны к конкретному производителю, такие как EtherCAT и CAN. Мы подробно разберем эти протоколы в продолжении статьи и разберемся, какие из них лучше подходят для конкретных применений: автомобильной и аэрокосмической промышленности, производства электроники, систем позиционирования и робототехники. Оставайтесь на связи!
Приведенные в § 5.5 драйверы с Z-состоянием выходов применяются для буферирования шины адреса и управляющих сигналов микропроцессоров, выполненных по n-МОП-технологии, нагрузочная способность выходов которых мала — один вход ИС серии 155. Драйверы передают сигналы только в одном направлении и могут быть использованы для усиления тока в любых цифровых устройствах. Все микропроцессоры имеют двунаправленную шину данных, а значит, для буферирования этой шины как со стороны микропроцессора, так и со стороны памяти и внешних устройств требуются двунаправленные драйверы, называемые приемопередатчиками (Transceivers). Приемопередатчики широко используются при построении микропроцессорных систем для управления передачей данных в двух и трех направлениях.
Структурная схема микроЭВМ.
На рис. 5.95 изображены основные устройства, входящие в состав типовой микроЭВМ:
CPU (Central Processing Unit) — центральный процессор,
OM (Read Only Memory) - постоянное запоминающее устройство,
RAM (Random Access Memory) - запоминающее устройство с произвольной выборкой (оперативное запоминающее устройство),
I/O (Input/Output) - устройство ввода/вывода (внешнее устройство).
Прием и передача данных производится под управлением CPU. В каждый момент времени CPU может обслуживать только одно устройство. Выбор определенного устройства производится с помощью адресных сигналов, поэтому активные уровни сигналов включения приемопередатчиков формируются с помощью дешифраторов адреса. Сигнал Т (Transmit), вырабатываемый центральным процессором, задает направление передачи данных до двунаправленной шине данных.
Некоторые устройства (например, ROM и на рис. 5.95) могут использоваться только для чтения данных. Тогда для буферирования локальной шины данных применяются драйверы (Bus Driver). Если же устройства требуют двунаправленной передачи данных, то используются приемопередатчики (Transceivers). Некоторые узлы могут иметь раздельные входные и выходные шины данных (например, на рис. 5.95), а другие — двунаправленную шину данных. Это обусловливает выпуск двух типов приемопередатчиков: с одной двунаправленной шиной и с двумя двунаправленными шинами.
Одноименные разряды двунаправленной системной шины данных от разных устройств должны объединяться по ИЛИ, поэтому все приемопередатчики выполняются либо с Z-состоянием выходов, либо с открытым коллекторным выходом. Включение в каждый момент времени только одного приемопередатчика обеспечивается с помощью адресного дешифратора. Приемопередатчик, подключенный к CPU, производит передачу и прием данных от всех устройств, связанных с системной шиной.
Однозрядный шинный приемопередатчик с двойным питанием, конфигурируемым преобразованием напряжения и трехстабильными выходами
- Выпускается в корпусах фирмы Texas Instruments NanoStar™ и NanoFree™
- Поддержка диапазона питания 1.65…5.5В для каждого порта за счет их раздельного конфигурируемого питания
- Функция изоляции VCC – Если любой из входов VCC равен GND, оба порта находятся в высокоимпедансном состоянии
- Уровни на входе DIR связаны с напряжением VCCA
- Малая потребляемая мощность, максимальный ток Iсс =10 мкА
- Нагрузочная способность выходов ±24 мА при 3.3В
- Ioff поддерживает рабочий режим частичного уменьшения мощности
Структурная схема SN74LVC1T45:
Расположение выводов SN74LVC1T45:
Данный одноразрядный неинвертирующий шинный приемопередатчик использует две раздельных конфигурируемых линии питания. Порт А разработан для отслеживания VCCA. VCCA может принять любое напряжение в диапазоне 1.65В…5.5В. Порт В разработан для отслеживания VCCB. VCCB также воспринимает любое напряжение в диапазоне 1.65В…5.5В. Это позволяет организовать универсальное двунаправленное преобразование уровня между 1.8В, 2.5В, 3.3В и 5.0В узлами.
SN74LVC1T45 разработан для асинхронной связи между шинами данных. Устройства преобразуют данные от шины А к шине В и наоборот в зависимости от уровня на входе управления направлением DIR.
SN74LVC1T45 разработан с учетом питания управляющего входа DIR от VCCA.
Устройство совместимо с приложениями с частичным уменьшением мощности за счет использования Ioff. Схема Ioff отключает выходы, предотвращая опасный противоток в режиме выключения.
Функция изоляции VCC гарантирует перевод в высокоимпедансное состояние обеих порта при уровне VCC равном GND.
Технология корпусов NanoStar™ и NanoFree™ имеет существенный отрыв от других корпусных концепций за счет использования в качестве корпуса самого кристалла.
Приведены примеры наиболее распространенных серийно выпускаемых микросхем.
Пособие предназначено студентам специальности 220100 и другим, кто интересуется подобными вопросами.
© Московский энергетический институт, 2002 г.
Стремительное развитие средств вычислительной техники требует постоянного обновления литературных источников для изучения вышеназванного курса. В предлагаемом методическом пособии сделана попытка кратко изложить материал по элементной базе и ее применению в схемотехнике. Рассмотрено построение современных базовых электрических схем элементов ТТЛ и КМДП серий, как наиболее распространенных, выходных каскадов некоторых микросхем, триггеров Шмитта, кодовых преобразователей. Приведены примеры серийно выпускаемых микросхем различного назначения.
Знания в данной области позволяют грамотно применять подобные микросхемы.
Для студентов специальности 220100 в соответствии с учебным планом читается курс лекций “Схемотехника ЭВМ”, дающий базовые знания по построению различных узлов и устройств ЭВМ.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность студентам Гаркуше О., Лаврентьеву В. и Мирсанову Р. за их бескорыстный труд по оформлению рукописи, выпускнику АВТФ Никишову Г.С. за помощь в издании пособия. Хотелось бы поблагодарить доцента кафедры ВМСС Дерюгина А.А., взявшего на себя нелегкий труд по рецензированию пособия.
Автор отдает себе отчет в том, что работа не лишена недостатков, оставшихся исключительно по его вине, и заранее благодарит тех, кто выскажет свои критические замечания.
1. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
В процессе проектирования функциональных узлов цифровой техники проектировщику необходимы знания о существующих удачных разработках подобных узлов, правил формальных преобразований алгебры логики и инженерное понимание работы разрабатываемых узлов [1]. Без этого весьма проблематично быстро добиться успешной работы разработанного узла.
Целью этого раздела является ознакомление читателя с основными базовыми схемами логических элементов (ЛЭ).
Под логическим элементом подразумевается электрическая схема, реализующая некоторую логическую функцию. Условное графическое обозначение в
соответствии с ЕСКД основных ЛЭ приведено на рис. 1.1.
ТТЛ (ТТЛШ) – транзисторно-транзисторной логики;
МДП-транзисторов (МОП) – металл, диэлектрик, полупроводник (металл, окисел, полупроводник);
КМДП (КМОП) – комплементарных МДП-транзисторов (МОП);
ЭСЛ – эмиттерно-связной логики.
1.1.Базовые элементы ТТЛ
Схема базового элемента ТТЛ 2И-НЕ серии 155 (зарубежный аналог – SN74 фирмы Texas Instruments Inc.) приведена на рис. 1.2.
Схема содержит три основных каскада: входной на транзисторе VT1, реализующий функцию И; фазоразделительный на транзисторе VT2 (на коллекторе которого реализуется функция НЕ) и выходной усилительный на транзисторах VT3 и VT4 [2].
При одновременной подаче на входы Х1 и Х2 единичных логических сигналов (напряжений высокого уровня), потечет ток через R1 и переход база-коллектор VT1 в базу транзистора VT2, который открывается и на его коллекторе устанавливается низкий уровень напряжения.
Этим низким уровнем напряжения запирается транзистор VT3, транзистор VT4 в это время открывается и на выходе Y устанавливается напряжение низкого уровня.
Если хотя бы один из входных сигналов XI или X2 окажется низкого уровня, процессы в схеме меняются: ток протекает через R1 и переход база-эмиттер VT1, уровень напряжения на коллекторе транзистора VT1 понижается и тразистор VT2 запирается, уровень напряжения на его коллекторе становится высоким, вследствие чего транзистор VT3 отпирается (VT4 в это время запирается) и на выходе Y устанавливается напряжение высокого уровня.
Такой выход элемента, построенный на двух транзисторах VT3 и VT4, называется каскадным или стандартным выходом.
Диоды VD1 и VD2 предназначены для защиты транзистора VT1 от пробоя при ошибочной подаче на его входы X1 и X2 отрицательного напряжения. Диод VD3 обеспечивает надежное запирание транзистора VT3 при открытом транзисторе VT4.
Для изменения основных параметров, характеризующих данную серию, применяется в основном изменение значений сопротивлений резисторов R1, R2, R3 и R4. Этим достигается изменение протекающих токов, значения которых влияют на нагрузочную способность и быстродействие элемента. Для увеличения быстродействия в некоторых сериях вместо обычных транзисторов применяются транзисторы Шоттки с диодами Шоттки или транзисторы Шоттки, условные графические обозначения которых показаны на рис. 1.3,а и б.
UIH - входное напряжение высокого уровня;
UIL - входное напряжение низкого уровня;
UOH - выходное напряжение высокого уровня;
UOL - выходное напряжение низкого уровня;
IIH – входной ток (втекающий ток) при подаче на вход напряжения высокого уровня;
IIL - входной ток (вытекающий ток) при подаче на вход напряжения низкого уровня;
IOH - выходной ток при высоком уровне выходного сигнала (вытекающий ток);
IOL - выходной ток при низком уровне выходного сигнала (втекающий ток).
I 1 вх, I 0 вх, I 1 вых, I 0 вых.
В качестве стандартных (пороговых) значений параметров серии ТТЛ приняты: UIHі2,0 В, UILЈ0,8 В, UOHі2,4 В, UOLЈ0,4 В.
Отношения nL=IOL/IIL и nH=IOH/IIH характеризуют нагрузочную способность логического элемента. Параметр n=minnL,nH> определяет максимально допустимое число входов логических элементов, которое можно подключить к выходу элемента той же серии. Для серии 155 n=10.
Значение сопротивления резистора R4 определяет различие токов IOH и IOL: при открытом транзисторе VT2 оно ограничивает ток IOH и, тем самым, предотвращает выход из строя транзистора даже при коротком замыкании выхода на землю.
Значения токов IOH и IOL обеспечивают заряд и разряд емкости нагрузки CL, влияют на крутизну фронта и спада выходного сигнала.
Амплитудная передаточная характеристика ЛЭ UO =¦(UI) определяет его формирующие свойства, зоны помехоустойчивости, амплитуду и уровни стандартного сигнала.
Вид характеристики зависит от типа ЛЭ: ТТЛ, КМДП, ЭСЛ и т.д. Он может изменяться в определенных пределах в зависимости от разброса параметров схемы, изменения напряжения питания, нагрузки, температуры окружающей среды и т.д.
Типовая амплитудная передаточная характеристика ЛЭ [3] представлена на
Рис.1.4
Помехоустойчивость ЛЭ серии ТТЛ по нижнему и верхнему пороговым уровням входных напряжений в соответствии с приведенными стандартными значениями параметров можно определить из соотношений:
∆UL = UIL max – UOL max =0,8 – 0,4 = 0,4 В,
∆UH = UOH min UIH min = 2,4 2,0 = 0,4 В.
Помеха уровня 0,4 В и менее не может привести к переключению ЛЭ. Следует заметить, что для высокого уровня напряжения опасны отрицательные помехи, снижающие его, а для низкого – положительные.
Динамические параметры ЛЭ характеризуются временами задержки распространения сигнала: tPHL – при переходе с высокого уровня сигнала на низкий и tPLH – при обратном переходе или среднем времени задержки распространения сигналов в ЛЭ:
tPD =(tPHL+tPLH)/2.
Допустимо применение обозначений времен задержек распространения сигналов:
tphl ®t 10 зд.р , tplH ®t 01 зд.р, tpd ®tзд.р.ср.
Задержки распространения сигнала в ЛЭ И-НЕ серии ТТЛ показаны на рис. 1.5.
Большое значение имеет длительность фронта и спада сигнала: tR и tF .
Важным параметром ИС считается значение мощности потребления. Показателем качества принято считать также значение энергии переключения стандартного ЛЭ (И-НЕ), которое определяется из соотношения:
W=tзд.р.ср P,
где W – энергия переключения в пДж;
tзд.р.ср – среднее время распространения в нс;
P – средняя мощность потребления элемента в мВт.
Основной целью совершенствования технологий ИС является улучшение их параметров: уменьшение задержек распространения сигналов, входных токов, потребляемой мощности и увеличение выходных (нагрузочных) токов. Это привело к появлению множества серий, которые отличаются значениями вышеназванных параметров, благодаря различной схемной реализации базовых элементов. Примером иной схемной реализации базового элемента ТТЛ является схема элемента КР1533 (аналог – SN74ALS00), показанная на рис.1.6.
На этой схеме транзисторы VT1 и VT2 реализуют функцию И, VT3 – повторитель, VT5 – выполняет инвертирование на своем коллекторе, VT4, VT6 и VT7, VT8 составляют каскадный выход. Такое построение схемы позволило по сравнению с базовым элементом, показанным на рис. 1.2, снизить входной ток в 2 раза, увеличить нагрузочную способность в 4 раза; время задержки и мощность потребления уменьшить в 2 раза. Подобные изменения схем базовых элементов происходят от серии к серии.
Рис.1.6
В табл.1.1 приведен перечень отечественных серий ТТЛ и соответствующих зарубежных аналогов, которые применяются наиболее часто.
Подобные формирователи или драйверы нашли широкое применение в микропроцессорных системах для подключения микропроцессора, памяти и внешних устройств к системным шинам адреса, данных и управления. Подключение может осуществляться с помощью монтажноГО ИЛИ. В настоящее время выпускается довольно
Рис.2.15 широкий ассортимент подобных формирователей.
Их можно разделить на две группы: линейные (LD – Line Driver) и шинные (BD – Bus Driver) драйверы. По структуре они отличаются незначительно: в линейном формирователе каждый разряд управляется своим сигналом, а в шинном – одним сигналом управляются все разряды.
На рис.2.16,а,б приведены условное графическое обозначение и структура линейного драйвера с Z-состоянием выхода 555ЛП8 (зарубежный аналог 74ALS425). Микросхема содержит четыре линейных формирователя.
Формирователь выполняет функцию DOi=DIi при OE=0 и Z-состояние в противном случае.
Аналогичной является микросхема SN74LS126 с той разницей, что сигнал управления OE должен быть неинвертированным.
Рис.2.16
Шинные формирователи имеют более широкое применение. На рис.2.17,а приведено условное графическое обозначение шестиразрядного шинного формирователя (BD - Bus Driver) с инверсными выходами и сигналом управления в виде конъюнкции OE1ЧOE2, а на рис.2.17,б приведена его функциональная схема.
Рис.2.17
Выпускаются 2, 4, 6, 8 и 10-разрядные шинные формирователи с различными функциональными схемами, позволяющими использовать разные логические сигналы для управления формирователями и рассчитанные на разные нагрузки. На рис.2.18 приведены примеры структурных схем шинных формирователей.
На выходах формирователей (схемы 2.18,а-г) стоят согласующие резисторы 25 Ом, предназначенные для работы с памятью на МДП - элементах.
Изображенные на рисунках 2.18,д,е формирователи имеют на информационных входах внутренние резисторы R=20кОм, подключенные к шине питания Ucc. Такие входы можно подключать к переключателям, разомкнутому состоянию которых соответствует подача на вход формирователя логической единицы. Это позволяет не использовать внешние резисторы.
Условное графическое обозначение формироватей показано на рис.2.19.
Структурная схема разряда шинного драйвера SN74ALS746 приведена на рис.2.18,д. Отечественного аналога не имеет.
Есть еще одна разновидность шинных формирователей, построенных на инвертирующих и неинвертирующих триггерах Шмитта.
Рис.2.19 В качестве примера на рис.2.20 приведено условное графическое обозначение Ѕ микросхемы 1533АП3 и функциональная схема его разряда..
2.4. Шинные приемопередатчики
Рассмотренные ранее шинные драйверы с Z-состоянием выхода передают сигналы только в одном направлении и обладают небольшой нагрузочной способностью. Они предназначены для передачи управляющих сигналов между шинами адреса и микропроцессорами, изготовленными по МДП – технологии, но могут использоваться в любых цифровых устройствах. Однако большинство микропроцессоров имеют помимо адресных шин (в большинстве своем однонаправленных) двунаправленные шины данных, которые требуют согласования по электрическим параметрам этой шины как со стороны микропроцессора, так и со стороны памяти и внешних устройств.
Это обстоятельство потребовало разработки довольно многочисленного класса ИС – двунаправленных драйверов, которые принято называть приемопередатчиками (Transceivers). Данный вид шинных формирователей широко используется при построении микропроцессорных систем для управления передачей данных в двух направлениях.
CPU (Central Processing Unit) – центральный процессор;
ROM (ReadOnlyMemory) – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
RAM (RandomAccessMemory) – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
I/O-1,I/O-2,I/O-3 (Input/Output) – устройства ввода/вывода, внешние устройства.
Прием и передача данных производится под управлением CPU. В каждый момент времени обслуживается только одно устройство, включение которого производится с помощью адресного сигнала OEi (где i=1, 2,…,6), формируемого дешифратором адреса устройства, входящим в CPU. Сигнал T (Transmit), вырабатываемый CPU, задает направление передачи данных по двунаправленной шине. Если устройство используется только для чтения (например, ROM или I/O-1 на рис.2.21), то для передачи применяются шинные формирователи, рассмотренные ранее.
Устройства микропроцессорной системы могут иметь раздельные входные и выходные (например, I/O-3 на рис.2.21) или двунаправленные шины данных. Это обстоятельство обусловило выпуск приемопередатчиков разных типов: с одной и двумя двунаправленными шинами. Разряды двунаправленной шины данных объединяются с соответствующими разрядами различных устройств с помощью МОНТАЖНОГО ИЛИ. Поэтому все приемопередатчики выпускаются либо с открытым коллекторным выходом, либо с Z-состоянием выхода.
2.4.1. Шинные приемопередатчики с тремя состояниями выхода
Принципы построения одного разряда трех типов приемопередатчиков с Z-состоянием выхода показаны на рис.2.22.
Рисунок 2.22,а представляет функциональную схему одного разряда приемопередатчика с одной двунаправленной линией DB передачи данных (Data Bi-directional – двунаправленная линия данных, подключаемая к шине данных микропроцессора).Сигнал T (Transmit) разрешает передачу данных от микропроцессора к устройству ввода-вывода.
Работа приемопередатчика описывается соотношениями:
DI®DB при T=0 (ввод данных в микропроцессор; выход DO в
Z-состоянии);
DB®DO при T=1 (вывод данных из микропроцессора; выход DB
в Z-состоянии).
Рис.2.22
На рис.2.22,б изображена схема приемопередатчика с одной двунаправленной линией передачи, описываемого соотношениями:
DI®DB при a=ЧOE=1 (ввод данных в микропроцессор; выход DO в Z-состоянии);
DB®DO при b=TЧOE=1 (вывод данных из микропроцессора; при значении сигнала включения =1 выходы DO и DB находятся в Z-состоянии).
Приемопередатчик с двумя двунаправленными линиями передачи данных (рис.2.22,в) работает в соответствии с соотношениями:
DA®DB при a=ЧOE=1,
DB®DA при b=TЧOE=1.
При значении сигнала включения OE=1 выходы DA и DB находятся в Z-состоянии.
В некоторых серийных ИС приемопередатчиков с двумя двунаправленными шинами применяется другой метод управления передачей. Он показан на рис.2.23.
Рис.2.23 Рис.2.24
Здесь управление приемом и передачей осуществляется с помощью двух независимых сигналов: OEA (Output Enable A – разрешение выхода DA) и OEB (разрешение выхода DB). Управление происходит в соответствии с соотношениями:
Подавать сигналы OEA=OEB=1 не рекомендуется, т.к. передача в обоих направлениях одновременно невозможна.
На основе рассмотренных принципов построения приемопередатчиков с Z-состоянием выхода строятся многоразрядные ИС двунаправленных драйверов. На рис.2.24 приведено условное графическое обозначение приемопередатчика с одной двунаправленной четырехразрядной шиной данных 589АП26 (SN74ALS623). Его функциональная схема аналогична приведенной на рис.2.22,б, с той разницей, что выходы элементов инверсные.
DB (Bi-directionalDataBus) – двунаправленная шина данных, подключаемая к CPU;
DIi и DOi – входные и выходные данные (i=0, 1, 2, 3);
CS (Chip Select –выбор кристалла) – включение приемопередатчика;
DIEN (DataInputEnable – разрешение ввода данных) – указание направления передачи данных.
при вводе данных в CPU:
DIi®DBi при DIEN=0 и =0, т.е. a=DIENЧCS,
при выводе данных из CPU:
DBi®DOi при DIEN=1 и CS=0, т.е. b=DIENЧCS.
На рис.2.25 приведено условное графическое обозначение ИС 1533АП6 (SN74ALS645) с двумя двунаправленными шинами с общим управлением. Схема восьмиразрядная, аналогичная схеме на рис.2.22,б, но на элементах без инверсии, в качестве которых используются триггеры Шмитта.
OE – включение приемопередатчика;
T – указание направления передачи;
a=ЧOE, b=TЧOE обеспечивают передачу данных только в одном из двух направлений в каждый момент времени. Работа приемопередатчика описывается функциями:
D
Bi=DAi, если T=1 и OE=0; Z-состояние в противном случае>.
На рис.2.26 приведена ИС 1533ИП6 (SN74ALS1242), а на рис.2.27 ее функциональная схема, которая имеет две двунаправленные шины данных. В этой ИС используется другой метод управления передачей (см. рис.2.23): управление с помощью двух независимых сигналов OEA (разрешение выходов DA) и OEB (разрешение выходов DB).
В табл.2.2 приведены значения их сочетаний.
Таблица 2.2
OEA | OEB | Результат |
0 | 0 | DAi®DBi |
0 | 1 | приемопередатчик выключен |
1 | 0 | запрещенное сочетание |
1 | 1 | DBi®DAi |
В микросхеме 1533ИП6 в качестве элементов используются триггеры Шмитта. Основные параметры некоторых приемопередатчиков с Z-состоянием выходов приведены в табл.2.3.
Приемопередатчики типа 1533АП12, АП13 (аналог 74ALS2540, 2541), предназначенные для обслуживания ИС (например, запоминающих устройств) изготавливаемых по МДП - технологии, имеют на выходе резисторы 25 Ом, включенные последовательно.В некоторых приемопередатчиках выходы DA и DB имеют разную нагрузочную способность. К системной шине данных рекомендуется подключать выход с большей нагрузочной способностью.
2.4.2. Шинные приемопередатчики с открытым коллекторным выходом
Принцип построения элементов с открытым коллекторным выходом был рассмотрен в подразделе 2.1.2. На рис.2.28 приведены условное графическое обозначение и функциональная схема приемопередатчика 531АП2 с открытыми коллекторными выходами и одной двунаправленной четырехразрядной шиной
данных.
Значение сигналов EB=0, EO=Х (X-безразлично) разрешает передачу входных данных DIi (i=0,1,2,3) на двунаправленную шину DIi (i=0,1,2,3): DI?DB.
При сигналах EB=1, EO=0 происходит передача данных с двунаправленной шины DBi на выходы DOi: DBi?DOi.
Другой вид управления приемопередатчиком с одной двунаправленной шиной данных можно рассмотреть на примере микросхемы 559ИП3, условное графическое обозначение и функциональная схема которой приведены на рис.2.29.
Функционирование этого приемопередатчика описывается соотношениями:
E1ЧE2=1, DI®DB; E1ЧE2=0, DB®DO.
В некоторых приемопередатчиках к выходам элементов с открытым коллектором внутри ИС подключается нагрузка в виде резисторного делителя. В качестве примера можно привести ИС 559ИП6 с одной двунаправленной шиной данных, условное графическое обозначение и функциональная схема которой приведены на рис.30,а,б.
Наличие такого делителя позволяет объединять выходы DBi сразу нескольких приемопередатчиков с помощью монтажноГО ИЛИ. Такое объединение повлиять на нагрузку схемы. Выходы резисторных делителей 18 и 16 в этом случае соединяются соответственно с общим выводом и выводом питания Ucc.
Работа микросхемы, показанной на рис.2.30,а, описывается так же, как и работа микросхемы 559ИП3 (по входам DI0,1,2).
Помимо описанных выше, весьма часто используются приемопередатчики с двумя двунаправленными шинами на элементах с открытым коллекторным выходом. На рис.2.31 приведено условное графическое обозначение и функциональная схема одного разряда такого приемопередатчика (восьмиразрядная микросхема 559ИП15, аналог – SN74ALS638).
Функционирование приемопередатчика с открытым коллекторным выходом описывается соотношениями:
DAi=DBi, если T=0 и OE=0,
DBi=DAi, если T=1 и OE=0.
Приемопередатчики могут строиться на повторителях с открытым коллекторным выходом канала DA, на повторителях с Z-состоянием выхода канала DB, на инверторах с открытым коллекторным выходом, т.е. в самых разных сочетаниях различных управляемых элементов.
2.4.3. Шинные приемопередатчики с регистрами памяти
Для временного хранения данных в приемопередатчиках часто используются регистры памяти, в которых применяются как асинхронные потенциальные, так и синхронные триггеры. Способы использования таких регистров различные.
На рис.2.32 приведена функциональная схема i-го разряда четырехразрядного приемопередатчика 531ВА1 (SN74ALS226) с двумя двунаправленными шинами DA и DB. Условное графическое обозначение микросхемы 531ВА1 приведено на рис.2.33.
Сигналы загрузки регистров приемопередатчика:
CIA=S2Ч CA, CIB=Ч CB, CO=S2ЪS1.
OEA и OEB – сигналы управления выходными элементами каналов DA и DB.
Состояние выходов приемопередатчика можно описать выражениями:
DAi=QOBi при OEA=1; Z-состояние, если OEA=0;
DBi=QOAi при OEB=1; Z-состояние, если OEB=0.
Приемопередатчик 531ВА1 может работать и в режиме „прозрачной памяти”:
DBi®DAi при S2=0 и OEA=1,
DАi® DBi при S2=1 и ОEB=1.
Если при этом S1= 0, CA= 0 и CB= 0. Это видно и из табл.2.4.
Широкое распространение получили и приемопередатчики на синхронных регистрах памяти, производящие мультиплексирование данных.
В качестве примера можно привести ИС 1554АП20 (SN74ALS646), условное графическое обозначение которой показано на рис.2.34, а функциональная схема – на рис.2.35.
Работа приемопередатчика описывается выражениями:
D
Ai=DBiЧAAvQBЧAA при OEA=T∙OE=1, Z-состояние при OEA=0;
D
Bi=DAiЧABvQAiЧAB при OEB=T∙OE=1, Z-состояние при OEB=0.
Состояние выходов регистров определяется соотношениями:
QAi=DAiЧdCAЪQAiЧdCA;
QBi=DBiЧdCBЪQBiЧdCB.
Сигналы dCA и dCB означают, что срабатывание триггера происходит по фронту импульса.
Рис.2.35
В заключение следует отметить, что есть много приемопередатчиков со сдвигающими регистрами, которые могут осуществлять не только двунаправленную связь между СРU и внешними устройствами с параллельной передачей данных, но и связь по последовательному информационному каналу. В таких приемопередатчиках сдвигающий регистр может как хранить, так и преобразовывать параллельные данные. Скорость вывода их определяется тактовой частотой.
Условное графическое обозначение приемопередатчика приведено на рис.2.36. Его работа аналогична работе приемопередатчика 1554АП20, работа регистра отличается только наличием режима сдвига данных.
Читайте также: