Интерфейс радиальный, последовательный ("токовая петля")

Первоначально в нем использовался ток 60 мА; позже, с 1962

года, получил распространение интерфейс с током 20 мА, преимущественно в телетайпных аппаратах. В 1980-х годах начала широко применяться "токовая петля" 4...20 мА в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики.

Рисунок 1  Принцип действия "токовой петли"

По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки. Поэтому в "токовой петле" протекает ток, не зависящий от сопротивления кабеля, сопротивления нагрузки и э. д. с. индуктивной помехи (рисунок 1), а также от напряжения питания источника тока.
Ток в петле, при постоянном сигнале, может измениться только вследствие утечек в кабеле, которые, если кабель исправен, очень малы.
Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения.

Историческая справка

Принцип действия

Основной принцип, который был заложен в работу интерфейса "токовой петли" состоит в том, что в передатчике используется источник тока, а не источник напряжения, как в интерфейсе RS-232.

источником тока, а параллельно ему, не может быть ослаблена в

"токовой петле" и для ее подавления следует использовать экранирование.
В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.

На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления Rн. При токе 20 мА для получения стандартного напряжения 2,5 В, 5 В или 10 В используют резистор сопротивлением 125 Ом, 250 Ом или 500 Ом соответственно.

стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически

стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0...20 мА и 4...20 мА; гораздо реже используют 0...60 мА. В перспективных разработках рекомендуется использовать только диапазон 4...20 мА, как обеспечивающий возможность диагностики обрыва.

В варианте "4...20 мА" в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (кабель имеет разрыв, если ток равен нулю) в отличие от варианта "0...20 мА", где величина "0 мА" может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Вторым преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энергии датчику для его питания.

Интерфейс "токовая петля" распространен в двух версиях: цифровой и аналоговой.

Основным недостатком "токовой петли" является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля от источника тока.

Рисунок 2  Зависимость максимальной скорости передачи "токовой петли" от длины неэкранированной витой пары при токе петли 20 мА.

Например, при типовой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость кабеля составит 75 нФ. Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения 5 В необходимо время ~19 мкс, что соответствует скорости передачи около 9 кбит/с.
На рисунке 2 приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажений (дрожания).

от разнообразных датчиков к контроллеру или от контроллера к исполнительным

устройствам.
Применение "токовой петли" в данном случае дает два преимущества.
Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов.
Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью (погрешность "токовой петли" может быть снижена до ±0,05%).
Кроме того, стандарт "токовая петля" поддерживается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации.

Аналоговая "токовая петля"

Рисунок 4  Вариант построения аналоговой "токовой петли" с выносным источником питания

Рисунок 3  Вариант построения аналоговой "токовой петли" со встроенным в передатчик источником питания

свои входы, т.е. напряжение между прямым и инверсным входом равно

нулю, то можно считать, что Uвх подключен напрямую на R0, а учитывая то, что поскольку сопротивление входов ОУ очень большое (стремится к бесконечности), то можно считать, что входной ток ОУ равен нулю. Тогда ток протекающий через R0 получается равным:

Следовательно ток в петле будет равен току протекающему через R0, вне зависимости от сопротивления линии и сопротивления нагрузки.
Здесь надо только обеспечить достаточную мощность источника питания, чтобы он смог преодолеть все сопротивления - R0, R линии, Rн, а транзистор Q1 не вошел в насыщение и оставался в линейном режиме во всем диапазоне.
В качестве источника питания обычно используется независимый стабилизированный источник, 12 или 24 вольта.

специальный измерительный резистор Rs. На нем операционным усилителем ОP1 замеряется

падение напряжения, результат поступает во второй операционный усилитель ОP2. Т.к. конструкция из OP1 является для OP2 обратной связью, а он выводит разность на своих входах в ноль, то получается, что:
Uвх = R2/R1*Is*Rs

Например, при номиналах R2 = 10 кОм, R1 = 1 кОм, Rs = 10 Ом получается зависимость

Is = Uвх/100

с хорошей линейностью, особенно если взять прецизионные операционные усилители с выходом типа Rail-2-Rali.

она реализуется гораздо проще, чем "4...20 мА" (рисунок 5).
Цифровая

"токовая тепля"

Поскольку при цифровой передаче данных точность передачи логических уровней роли не играет, можно использовать источник тока с не очень большим внутренним сопротивлением и низкой точностью.
Например, при стандартном значении напряжения питания =24 В и падении напряжения на входе приемника 0,8 В для получения тока 20 мА сопротивление должно быть равно примерно 1,2 кОм. Сопротивление кабеля сечением 0,35 кв. мм и длиной 1 км равно 97 Ом, что составит всего 10% от общего сопротивления петли и им можно пренебречь. Падение напряжения на диоде оптрона (0,8 В) составляет 3,3% от напряжения источника питания, и его влиянием на ток в петле также можно пренебречь. Поэтому с достаточной для практики точностью можно считать, что передатчик в этой схеме является источником тока.

Рисунок 5  Принцип реализации цифровой "токовой петли"

Рисунок 6  Использование источника тока цифровой "токовой петле"

 Формат кадра интерфейса UART
+12 В
-12 В
Рисунок 7  Подключение

контроллера к ПК по интерфейсу RS-232C через «токовую петлю»

находится в состоянии логической единицы (напряжение -12В, MARK), что приводит

к открытию транзисторного оптрона DA2, а вместе с ним транзистора VT1, через который протекает ток 20мА через стабилизатор тока и светодиод оптрона приемника контроллера, как показано на рисунке 8. Для «токовой петли» это состояние логической единицы.
Когда сигнал Тx принимает значение логического нуля (напряжение +12В, SPACE) оптрон DA2 закрывается и вместе с ним транзистор VT1, поэтому ток становится равным нулю, что полностью соответствует требованиям интерфейса «Токовая петля». Таким образом, последовательные данные будут переданы от компьютера к контроллеру.

Передача от контроллера к компьютеру. Данные от контроллера к компьютеру передаются через оптрон DA1 и транзистор VT2: когда линия токовой петли находится в состоянии логической единицы (ток 20 мА) оптрон открывает транзистор VT2 и на входе приемника RS-232C появляется напряжение -12В, что согласно рисунку 9 есть уровень логической единицы. Это соответствует паузе между передачей данных.
Когда на линии связи токовой петли ток равен нулю (логический нуль) оптрон DA1 и транзистор VT2 закрыты на входе Rx будет напряжение +12В – соответствует уровню логического нуля.
Для того чтобы на входе Rx получить двухполярное напряжение, используются сигналы DTR Data Terminal Ready (Готовность терминала) и RTS Request to Send (Запрос на отправку).
Эти сигналы предназначены для работы с модемом, но в данном случае используются как источник питания для линии Rx, поэтому дополнительного источника не требуется. Программно эти сигналы устанавливаются таким образом: DTR = +12В, RTS = -12В. Эти напряжения развязаны друг от друга диодами VD1 и VD2

Описание работы схемы (рисунок 8)

RS-232C контроллера к ПК через «токовую петлю»
Перечень использованных элементов:
DA, DA

= АОТ128
R1 = 4,7кОм
R2, R4 = 100 кОм
R3 =200
R6, R7 = 680
R8, R9, R10 = 1 MОм
VD1, VD2, VD3, VD4, VD5 = KД522
VT1, VT2 = KT814Г

Конструкция адаптера

Рисунок 11  Токовая петля может быть использована для передачи информации нескольким приемникам

Построение коммуникационной сети

Addressable Remote Transducer ‒ "магистральный адресуемый удаленный преобразователь").
HART –

это протокол передачи данных между полевыми устройствами, широко известный промышленный стандарт, основанный на передаче цифровых данных по линии связи 4-20 мА между интеллектуальными приборами. Применение этой технологии широко распространено, и сегодня подавляющее большинство крупнейших производителей приборов предлагает продукты с поддержкой HART протокола.


HART является открытым стандартом на метод сетевого обмена, который включает в себя не только протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи.

Стандарт HART был разработан в 1980 году фирмой Rosemount Inc., которая позже сделала его открытым. В настоящее время стандарт поддерживается международной организацией HART Communication Foundation (HCF), насчитывающей 190 членов (на декабрь 2006 г.). HART находит применение для связи контроллера с датчиками и измерительными преобразователями, электромагнитными клапанами, локальными контроллерами, для связи с искробезопасным оборудованием.
При создании HART-протокола в 1980 году преследовалась цель сделать его совместимым с широко распространенным в то время стандартом "токовая петля", но добавить возможности, необходимые для управления интеллектуальными устройствами.

Поэтому аналоговая "токовая петля" 4...20 мА была модернизирована таким образом, что получила возможность полудуплексного цифрового обмена данными.

Протокол промышленной автоматизации HART

образом, что получила возможность полудуплексного цифрового обмена данными.
Для этого

аналоговый сигнал суммируется с цифровым сигналом (рисунок 12) представленным в виде частотной манипуляции и полученная таким образом сумма передается с помощью источника тока 4...20 мА по линии связи. Благодаря сильному различию диапазонов частот аналогового (0...10 Гц) и цифрового (1200 Гц и 2200 Гц) сигналов они легко могут быть разделены фильтрами низких и высоких частот в приемом устройстве. При передаче цифрового двоичного сигнала логическая единица кодируется синусоидальным сигналом с частотой 1200 Гц, ноль ‒ 2200 Гц.
При смене частоты фаза колебаний остается непрерывной. Такой способ формирования сигнала называется частотной манипуляцией с непрерывной фазой.
Выбор частот соответствует американскому стандарту BELL 202 на телефонные каналы связи.

Рисунок 12  Суммирование аналогового и цифрового сигнала в HART-протоколе

устройств инициирует контроллер. Цифровой сигнал D(t)1 от источника напряжения Е~

через конденсатор Cвч 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 ‒ информацию о единицах и диапазоне измерения, о выходе величины за границы динамического диапазона, о типе датчика, имени изготовителя и т. п.). Аналоговый и цифровой сигнал суммируются и подаются в линию связи в форме тока.
На стороне контроллера ток преобразуется в напряжение резистором Rн. Полученный сигнал подается на фильтр нижних частот с частотой среза 10 Гц и на фильтр верхних частот с частотой среза 400...800 Гц. На выходе фильтров выделяются цифровой сигнал D(t)2 и аналоговый A(t)2. При использовании фильтров второго порядка погрешность, вносимая цифровым сигналом в аналоговый, составляет всего 0,01% от 20 мА. Как и в обычной "токовой петле", источник тока в HART-устройстве может иметь внешний или встроенный источник питания.

с HART-протоколом
HART-устройства всегда содержат микроконтроллер с UART и ППЗУ. Цифровой

сигнал, сформированный микроконтроллером, преобразуется в UART в непрерывную последовательность бит, состоящую из двоичных слов длиной 10 или 11 бит каждое. Сформированное таким образом сообщение передается в модем, выполняющий частотную манипуляцию (ЧМ). Полученный частотно-манипулированный 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, из которой контроллер выделяет байты данных и биты паритета. Микроконтроллер проверяет соответствие бита паритета переданному байту для каждого переданного слова, пока не обнаружит признак конца сообщения.

уровне требованиям спецификации HART
Входной сигнал оцифровывается АЦП и поступает на

цифровой фильтр/демодулятор. Архитектура модема позволяет уверенно обнаруживать сигнал даже в зашумленной среде. Выходной ЦАП генерирует синусоидальное напряжение и сохраняет сдвиг фаз при переключении частот 1200 и 2200 Гц. Низкое потребление достигается запрещением работы приемника во время передачи сигнала, передатчик не работает во время приема. DS8500 идеальны для создания малопотребляющих передатчиков систем управления технологическими процессами.