No Image

Что такое токовая петля

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
22 января 2020

Блог о электронике

Иногда приходится передавать сигнал на большое расстояние (десятки метров, а то и километры). Главная проблема при этом в том, что через линию может пронестись электромагнитная волна (помеха) и попытаться индуцировать в ней ток. Ток будет мизерным, но так как входы обычно высокоомные, в сотни килоом, то даже от таких незначительных наводок на входе может возникнуть перенапряжение. Ведь по закону Ома U = I * R. R входа у нас может быть и под ГигаОм, при этом наводка тока даже в 0.001мА может раскачать напругу до киловольта. Вход вынесет за милую душу, хотя энергия там и невелика, но много ли надо тонкопленочному затвору транзистора? Решение тут одно — снижать входное сопротивление.

Хорошим способом решение этой проблемы является смена сигнала с напряжения, на ток. Т.е. за уровни мы принимаем не наличие каких-либо напряжений, а значения тока в цепи. Навести помеху тут будет сложней, ведь два провода линии идут параллельно, а значит помеха будет наводиться в них одновременно и гасить сама себя, вычитаясь на дифференциальном входе приемника.

Ток будем вдувать в линию посредством источника тока, радующего нас тем, что ему плевать какое сопротивление у линии, он будет обеспечивать заданный ток до тех пор, пока мощи хватит.

Цифровая линия
Тут все просто, обычно по токовой петле развязывают RS232 и им подобные интерфейсы с независимыми каналами на прием/передачу.
Плюсом токовой петли является то, что она легко развязывается оптикой, ведь светодиод, являющийся основным передатчиком оптопары, питается током.

Схема может выглядеть следующим образом:

Когда подаем единичку на вход, то она зажигает светодиод, транзистор оптопары открывается и пускает ток в петлю. Это ток зажигает светодиод во второй оптопаре, ее транзистор открывается и прижимает линию к земле. Линия при этом получается инвертирующейся. Но при желании это легко решается одним транзистором.

Оптопарой тут можно выбрать что то вроде SFH610A
. Главное, чтобы предельное напряжение, которое может выдержать транзистор, было выше чем может развить источник тока, ведь он будет пытаться продавить транюзк когда тот закрыт. Для данной оптопары это Vceo = 70V. Обычно же напряжение источника редко превышает 24 вольта. А также следует поглядеть на ток колектора для оптопары, чтобы он был не меньше, чем выдает источник тока. Для данной оптопары он составляет 50мА.

Если еще взять источник питания линии внешний, то схема получается вообще неубиваемой. Т.к. приемник, передатчик и линия не связаны между собой вообще.

В качестве источника тока я обычно втыкаю тут NSI45020 . Вообще это линейный драйвер светодиодов. Фиговина размером с резистор 1206, на выходе имеет строго заданный ток — 20мА.

Можно вкатывать напряжение питания вплоть до 45 вольт, можно параллелить, чтобы ток был поболее. При цене в 5 рублей штука — очень клевая вещь. Рекомендую держать в хозяйстве.

А для консерваторов — LM317 в режиме стабилизатора тока еще никто не отменял. Правда гораздо более громоздко выходит и стоит обычно дороже. Зато достается без проблем в любом радио ларьке.

Недостаток оптической развязки — ограничение скорости. У оптопары, особенно ширпотребной, весьма посредственные частотные характеристики. Но для какого-нибудь UART хватит. Также на скорость влияет тот факт, что длинная линия обладает большой емкостью, а зарядка ее происходит источником тока, т.е. чем дальше, тем больше емкость линии и медленней передача.

А если надо вытащить данные с какого-нибудь удаленного аналогового датчика? Тут тоже на помощь придет токовая петля, правда конструкция будет несколько сложней.

Нам нужно будет сделать источник, превращающий напряжение в ток. С линейной зависимостью, скажем вкатили мы на вход 5 вольт, а наша схема вдула в линию 50мА. Делается это на операционном усилителе. Примерно вот по такой схеме:

Работает она просто. Т.к. ОУ, охваченный обратной связью, стремиться уравнять свои входы, т.е. напряжение между прямым и инверсным входом равно нулю, то можно считать, что Uin засажен напрямую на R0. И ток через R0 получается равным Uin/R0. Ведь сопротивление входов ОУ ОЧЕНЬ большое, настолько большое, что мы можем смело считать, что ток туда не втекает. А так как R0 часть петли, то ток в петле будет равен току R0, вне зависимости от сопротивления линии и сопротивления нагрузки, разумеется если источник питания может продавить эти сопротивления, а транзистор не выходит в насыщение, оставаясь в линейном режиме. В качестве источника питания тут можно взять независимый стабилизированный источник, вольт так на 12.

На другой стороне петли достаточно снять падение напряжения на резисторе нагрузки Rн.

Вот тут, ради лулзов, собрал на макетном поле Pinboard II эту конструкцию. Т.к. задающий резистор R0 у меня получился в 10кОм (такой стоит рядом с макетным полем), то соотношение напряжение/ток получилось 1:10000 т.е. на 1 вольт приходится 0.1мА в петле. Нифига не стандарт, да и вообще мало слишком, но принцип работы показывает хорошо.

И видео работы:

Есть более громоздкий, но и гораздо более точный способ:

Тут мы заводим специальный измерительный резистор Rs и на нем операционником замеряем падение, а потом результат загоняем во второй операционник. Т.к. конструкция из OP1 является для OP2 обратной связью, а он выводит разность на своих входах в ноль, то получаем, что:

Получаем зависимость Is = Uin/100 с хорошей такой линейностью, особенно если взять прецезионные усилки с Rail-2-Rali выходом.

Если нужна максимальная точность, то лучше применить готовую микросхему. Существует и масса спекциализированных формирователей токовой петли. Например MAX15500. Включаешь по даташиту и радуешься 🙂

Гальваническую развязку аналоговой токовой петли можно сделать на изолирующих усилителях. Вроде ISO124


Коэффициент усилениея у него 1. Т.е. 1 вольт вошел — 1 вышел. Никаких заморочек с обратной связью и прочим. Два независимых входа питания, с одной и с другой стороны. Один недостаток — стоит она недешево. Та же ISO124 от 15 баксов за штуку.

Также прикольное свойство токовой петли в том, что можно питать удаленное устройство через эту же петлю. Т.к. источник тока компенсирует потребление. Разумеется в разумных пределах, но для каких-нибудь датчиков удаленных вполне неплохой вариант.

Стандарты
Единого стандарта на токовую петлю, величины токов и разьемы, как например с RS232, нет. Но в промышленности более менее устоялся стандарт аналоговой токовой петли 4…20мА, т.е. минимальный уровень это 4мА, а максимальный 20мА. Нулевой ток считается обрывом линии. Для цифровой петли чаще применяют диапазон 0…20мА. Также иногда встречается вариант 0…60мА, но это экзотика.

41 thoughts on “Токовая петля”

А можно ли использовать стабилитрон для гашения бросков напряжения на цифровой линии? Воткнуть по штуке на каждый конец.

Правильно ли я понял, что токовая петля просто гораздо лучше защищена от обычных помех, в том ее выгода?

Стабилитроны и так ставят. Только не стабилитроны, а супрессоры. Они мощней и способны рассять большую энергию. Преимущество петли в том, что там меньшее влияние на аналоговый сигнал и ее легко развязывать.

И стабилитроны, и супрессоры (правильнее, все же речь вести о супрессорах) включают в цепь для ее защиты от статики (нано- и микросекунды) от вывода входных цепей из строя. К защите от помех они отношения не имеют: если на линии с логическим «0» наведется помеха выше уровня супрессора, он, лишь, откроется, шунтируя ее до своего уровня. Другими словами, логическая схема все равно воспримет помеху, если ее длительность укладывается в характеристики логики.

При цифровой дифф линии синфазная помеха вычтется. Плюс CRC никто не отменял.

Это Ваш совет борьбы с помехой и ошибками. Никто с этим не спорит. Но иной раз: на коротких расстояниях, нечетное число сигнальных линий, ограничение числа проводников, — нет возможности использовать витую пару…
Я, лишь, обозначил предназначение супрессора как родственника варистора.

Дак оно же гавно! Оно же греет и ток жрёт.
Люди уже давно применяют развязывающие трансформаторы, они и быстрее, и надёжнее будут. см. ethernet.

Токовая петля применяется когда приходится передавать сигнал по проводам на большое расстояние десятки метров, а то и километры. Что бы передать на такие большие расстояния и избавиться от действия помех и придумали такой подход.
Да бы улучшить энергетические характеристики, что бы не грелось и не жрало ток, можно попробовать использовать импульсные источники тока.

Читайте также:  Фритюрница deep fryer инструкция

Да неужели? Нука кинь эзернет на пару-тройку километров одним куском. А если аналог так еще и затрах будет с преобразованием и паковкой все в цифру.

та який килоОметр
там ста метров хватит чтоб увидеть косяк
мы кидали 300 через доп хаб
и то: когда работает, когда нет

на сколько мне известно эзернет можно кидать максимум на 300м при 10 мбит, и на 100м при 100 мбит

для стабильной работы так все равно не надо прикалываться
у нас был опыт протяжки кабеля метров 150
себе интеренет заводили
там была какая-то мега пара(экран и трос внутри)
и даже что-то там мегапупер поставили(тогда не вдавался в подробности)
а нормально работало только то, что короче 50 метров
как-то так

Эзернет на пару километров? Да хоть на пару десятков, это всё пыль для моряка! Не забывайте, что по стеклу эзернет тоже бегает 🙂
А вообще — токовая петля это частный случай дифф-линии, и широко применяется в промышленности. Всякие датчики индустриального исполнения имеют выход 4-20ма, от него же и питаются.

Любопытно. У нас на жд для связи установок со станционным оборудованием (по обыкновенной медной паре длиной до 30 км) используется интерфейс V23 — полудуплекс с частотной модуляцией, скорость 1200 бод. Хреновый протокол конечно, устарел давно, и затухание с расстоянием растет прилично, и помеху ловит будь здоров, но есть у него один важный в нашей специфике плюс — его слышно :). При помощи говна и палок, как то обыкновенная телефонная трубка, наушник или стрелочный вольтметр (редкие кодовые пачки вполне различимы на глаз, т. к. амплитуда у них около 4-х вольт) можно оперативно найти место порыва, до куда сигнал еще «добивает» и там уже принимать меры по восстановлению связи.
А вот от приемопередатчика на станции до спец. платы в компе, обрабатывающем поступающие данные, связь почему-то осуществляется токовой петлей, хотя там провод длиной метра полтора максимум. Зачем так сделано — непонятно.

ПОНАБ?
Главное что работает блин, и через пупины проходит.
xDSL на высокоомное ухо кстати тоже услышать можно, правда посылок уже не различишь.

>>ПОНАБ?
КТСМ 🙂 В принципе к ПОНАБам в широком смысле, как к классу устройств диагностики относится.

Старожилы рассказывали, что древняя аппаратура ПОНАБ-3 (конкретная разновидность), вообще обладала «волшебными» свойствами. За счет амплитудной модуляции сигналов в физическом канале связи, способна была работать даже при полном (!) обрыве кабеля — сигнал прошивал через почву. Дескать, был реальный случай, когда связь сохранялась при полутораметровом разрыве между кусками кабеля, пришлось только выкрутить усиление на максимум. Не знаю уж правда или нет, я тогда еще не работал по данной профессии.

Просто привычка так называть, как плис (а их разных много fpga, cpld и тд.)
На Украине тоже свой понаб давно запили, АСДК-Б называется, хотя и ктсм есть (друг на их обслуживании работал).

О стандартах токовой петли.
4-20мА широко применяется в современном КИПе, а именно при передаче нормированного аналогового сигнала с удаленных измерительных преобразователей (температуры, давления и пр.) на систему управления/контроля процессом и с системы на исполнительные механизмы (задвижки/заслонки и пр.), часто комбинирована и с параметрирующей цифрой (HART).
0-20мА «цифра» применялась, к примеру, в устаревшем PLC SIMATIC S5 для связи с программатором, операторской панелью и т.п. периферией. Теперь вытеснена RS485, Ethernet и прочими.
Конечно же для каждой конкретной задачи выбирать надо оптимальное решение. Но осветить еще применяющийся (физический) канал связи широкой публике, считаю не лишним. Об этом наверняка можно найти много инфы на просторах и-нета, но она скорее всего будет изложена довольно сухо.

Можно считать стандартом. Могу лишь подтвердить что в промышленности используется очень широко. Есть варианты:
0-60 (редкость)
0-40
0-20
4-20 (наиболее распространен т.к. позволяет реализовать аналоговый 1-Wire и выявлять обрыв)
Почти все современные аналоговые датчики используют именно 4-20.
Помимо того поверх токовой петли работают такие протоколы как HART.

….Также иногда встречается вариант 0…60мА, но это экзотика. …
В общем то никакой экзотики! Работая на в начале 90-х на телеграфе, чинил оборудование в котором как раз использовалась токовая петля 0…60мА . Конечно его поубивали в начале века но не факт, что оно где то ещё работает. Надёжное было оборудование, убить можно было, только выбросив из окна. Да и то не факт 🙂

Извиняюсь что не совсем по теме. По молодости обслуживал пульты охранной сигнализации — работали по такому же принципу только в качестве гальванической развязки стояли реле. При определенном токе реле притянуты, ток больше или меньше — реле отпадает. Ну а поскольку в середине 90-х качество телефонных линий оставляло желать лучшего… А кстати как данный вариант поведет себе при пробое изоляции и утечке на «землю»?

Если утечка после резистора нагрузки и утечка меньше чем может обеспечить выход ОУ, то пофигу вообще — ток в петле останется прежним. Если же до, то петля даст сбой, т.к. до нагруки дойдет меньше. Но тут, для большей надежности можно сделать петлю таким образом, чтобы замерялся ток на входе и на выходе.

Токовая петля – это двухпроводной интерфейс передачи информации, где данные закладываются в значение тока.

Благодарности

Большое спасибо Михаилу Гуку за интересные книги. Некогда авторы начинали изучение современной электроники с энциклопедией и изданий этого замечательного человека. Без интернета учебники приходилось терпеливо перелистывать руками, а мышки бегали преимущественно в подполе.

Компания muRata постоянно снабжает читателей свежей информацией, значит, теперь в курсе новостей окажутся и читатели. Рассматриваемая продукция уже упоминается в разделе про герконовые датчики. Речь о новейшей разработке – RedRock.

Необходимость токовой петли

Токовая петля 4-20 мА считается распространённым протоколом передачи информации датчиков. В индустрии часто возникает необходимость измерения физических параметров, к примеру:

Потребность возникает постоянно, когда информацию нужно передать на расстояния в сотни метров и более. Токовая петля считается медленным цифровым интерфейсом, и обусловлено это зарядом ёмкости кабеля от источника (что проявляется с ростом частоты), для аналоговых или дискретных устройств возможностей вполне хватает. Передатчики снабжаются аккумуляторами на 12 (реже) либо 24 В (чаще). Последние позволяют дальше передать информацию, значащим параметром становится ток, а не напряжение. Чем длиннее линия, тем ощутимее падение потенциала.

У приведённого технического решения есть пара недостатков. Во-первых, приходится использовать экранированные провода, во-вторых, увеличение дальности приводит к резкому снижению КПД. Типичная токовая петля состоит из четырёх компонентов:

  1. Источник питания. Месторасположение произвольное.
  2. Приёмник или монитор.
  3. Передатчик (сенсор).
  4. Преобразователь напряжения в ток.

Сенсоры выдают информацию, пропорциональную измеряемому параметру, представленному напряжением. Следовательно, нужно заняться преобразованием в ток. Потом информация кодируется либо по уровню тока, либо в двоичный вид: 4 мА – нуль, 20 мА – единичка. На стороне приёмника информация расшифровывается.

Поклонники цифровых технологий заявляют о низком быстродействии токовой петли. Действительно, при погонной ёмкости в 75 пФ/м километровый отрез провода образует конденсатор с номиналом 75 нФ. С ростом частоты сопротивление падает, эффект сглаживания и фильтрации не даёт правильно работать с информацией. За 19 мкс конденсатор наполняется полностью от напряжения 5 В, обусловливая замеченное ограничение в 9,6 кбит/сек.

Собственно токовая петля считается отжившим протоколом, на её место готовы прийти прочие, массово используемые, к примеру, MIDI и малоизвестный средь широкой публики промышленный интерфейс HART.

Общая информация

Первым сюрпризом становится отсутствие единых стандартов. Доминирующими стали протоколы 4-20 мА, 0-20 мА и 0-60 мА, жёстких правил нет. В токовой петле может передаваться любая информация. Если это двоичный код, единице соответствует наличие тока в размере 20 мА в зависимости от настроек системы, а нулю – отсутствие сигнала либо наличие 4 мА. Если при передаче пакета происходит разрыв линии, это непременно опознаётся через стоп-байт.

Читайте также:  Телефоны с емкостным экраном

Интерфейс применялся с 50-х годов, первоначально единица кодировалась как 60 мА постоянного тока. Следовательно, КПД системы оказывался намного ниже. Петля на 20 мА появилась в 1962 году как сигнал для телетайпов – для дистанционной печати сообщений (соединяла две электрические печатные машинки). С началом 80-х ток попытались уменьшить, не всегда успешно. Решили сделать компромисс:

  1. 4 мА означает «живой» нуль. Чтобы система точно знала, не произошёл ли в сети обрыв.
  2. Единицей остаётся 20 мА.

Основным ограничением служит расстояние передачи информации. На параметр влияет битрейт: на километровых дистанциях допустимая скорость передачи информации составляет 9600 бит/сек. Выше 19,2 кбит/сек линию не используют. В итоге на дальность влияют электрические параметры линии и уровень помех. Токовую петлю предполагалось заменить по задумкам Fieldbus, в действительности в обиход вошёл стандартный сегодня RS-485 (1983 год) – вариант COM-порта. И поныне терминалы по протоколу RS-232 присоединяются при помощи токовой петли, а на приёмной стороне производится нужное преобразование. Иногда по протоколу работают избранные принтеры. Пусть теоретический предел здесь составляет 115 кбис/с, на практике применяется 9600.

Особенность токовой петли – в передатчике не обращают внимание на напряжение. Мощность бывает разной. Главное – выдержать значение тока, 20 мА. Следовательно, чем линия длиннее, тем меньше КПД. Это неукоснительно исполняемое правило. Периодически встречается токовая петля с гальванической развязкой. Для этого используются оптопары и подобные полупроводниковые конструкции.

Как правило, кабель используется экранированный, чтобы избежать параллельных ёмкостных помех, которые не удаётся компенсировать или отследить. Для создания сети неплохо подходит экранированная витая пара. Благодаря тесному переплетению проводов, она избавляет от внешних наводок в виде индуктивных и синфазных помех. Для создания дуплексного канала используют две витые пары, программно интерфейс управляется через методы XON/XOFF. Достойные специализированные приложения обходят затруднение созданием предварительных запросов на передачу и ответов.

На приёмнике ток преобразуют в напряжение при помощи резистивного делителя. В зависимости от вольтажа применяются сопротивления 125 – 500 Ом. Иногда на стороне передатчика или приёмника ставится адаптер (преобразователь сигнала) к последовательному интерфейсу COM-порта. Падение напряжения на резисторе высчитывается по закону Ома, к примеру, для номинала 250 Ом это составит 250 х 0,02 = 5 В. Соответственно, приёмник возможно откалибровать при необходимости на нужный уровень.

Где применяется токовая петля

  1. Контроль технологических процессов. На производстве токовая петля 4-20 мА считается главным аналоговым интерфейсом. Используется «живой» нуль, когда полное отсутствие сигнала означает обрыв линии. Ток в 4 мА иногда используется как питание для передатчика либо входящий сигнал модулируется датчиком и возвращается в виде информации. Встречаются цепи, где батарея стоит отдельно, тогда модулируется её сигнал. Ни приёмник, ни передатчик не тратят собственную энергию.
  2. Во времена аналоговой телефонии токовая петля оставалась излюбленным интерфейсом для подключения. И сегодня ещё находятся бьющиеся током провода в квартирах. Здесь телефон питается от станции и модулирует сигнал для вызова абонента. Как в случае с датчиком, описанным выше. Эти линии остались в качестве наследия былых времён. К примеру, компания Система Белла применяет питание постоянным током до 125 В.
  3. Токовая петля иногда используется для передачи информации уровнем сигнала. К примеру, 15 мА означает «горим!», 6 мА – «все в порядке», 0 мА — обрыв линии. Любой местечковый производитель устанавливает собственные правила и пользуется протоколом.
  4. В телефонии через токовую петлю может контролироваться базовая станция. Это называется «дистанционный контроль постоянным током». К примеру, Motorola MSF-5000 использует постоянные токи для 4 мА для передачи сервисных сигналов. Пример подобного протокола:
  • Нет тока – вести приём на 1 канале.
  • +6 мА – передавать на 1 канале.
  • -6 мА – принять информацию на 2 канале.
  • -12 мА – передать на 2 канале.

Интерфейс MIDI

MIDI формат популярен среди музыкантов, это специализированный протокол цифровой звукозаписи. На физическом уровне он организован по схеме токовой петли 5 мА. Разумеется, из-за разницы уровней единиц напрямую два стандарта передачи не совместимы. Согласно Михаилу Гуку, MIDI разработан в 1983 году и стал правилом де-факто подключения синтезаторов.

Википедия сообщает, что в июне 1981 года корпорация Роланд подала крупному производителю синтезаторов – Обергейм Электроникс – идею стандартного интерфейса. Уже в октябре Смит, Обергейм и Какихаши обсудили это с правлением Ямаха, Корг и Каваи, а в ноябре на выставке общества AES продемонстрировали первый работоспособный вариант.

Два года интерфейс находился на доработке, и в январе 1983-го Смит объединил через MIDI два аналоговых синтезатора. Это позволило напрямую перекачивать аранжировки и создавать новые музыкальные композиции. Позднее файлы MIDI введены в поддержку операционной системы Windows, позволяя авторам напрямую заниматься обработкой мелодий, насыщая их новыми спецэффектами, отсутствующими в оригинальных синтезаторах. Внедрение сэмплов различных инструментов позволяло исполнителю воспроизводить музыкальное сопровождение любой сложности.

Применение MIDI

В MIDI используются физические линии на 5 мА. Редко встречается 10. Гальваническая развязка осуществляется через оптрон. Характерной чертой признано инвертирование сигнала:

Поэтому MIDI напрямую не совместим с обычной токовой петлёй. Физический интерфейс видели многие, но не знали название. Визуально розетка представляет собой диск диэлектрика с боковым вырезом, по периметру расположены 5 отверстий (DIN). Конструкция охвачена по кругу экраном. Музыканты насчитывают три вида интерфейса:

Порт MIDI иногда стоит на материнской плате персонального компьютера. Физически задействуются в нормальном режиме не используемые контакты 12 и 15 порта игрового адаптера DB-15S. Используемая здесь логика ТТЛ требует наличия адаптера для стыковки со стандартными синтезаторами по протоколу токовой петли. Микросхема преобразователя не слишком сложная, включает оптрон, диод, ряд логических элементов.

Порт MIDI программируется через UART как последовательный COM-порт. В продаже есть звуковые карты с MIDI либо отдельные платы расширения на свободные слоты.

Протокол HART

Это развитие протокола Fieldbus, массово применяемое в промышленности. Подосновой становится токовая петля 4-20 мА, а значит, может использовать витые пары, оставшиеся от морально устаревших протоколов. Поначалу стандарт считался укзоспециализированным связным интерфейсом, но в 1986 году вышел на всеобщее обозрение. Передача по HART идёт полными пакетами, имеющими состав:

  1. Преамбула – 5-20 байт. Служит для синхронизации и определения несущей.
  2. Старт-байт – 1 байт. Указывает номер хозяина шины.
  3. Адрес – от 1 до 5 байт. Присваивается хозяину, слуге и служит специальным признаком пакетного режима.
  4. Расширение – от 0 до 3 байт. Его длина указывается в старт-байте.
  5. Команда – 1 байт. То, что слуга должен исполнить.
  6. Число байтов данных – 1 байт. Размер поля данных в байтах.
  7. Данные – от 0 до 255 байтов. Данные, помогающие расшифровать порядок действий.
  8. Проверочная сумма – 1 байт. Содержит результат логической операции XOR для всех байтов, кроме стартового и заключительного в блоке данных.

Разумеется, пакетная структура характерна для цифровых устройств, нуждается в расшифровке для правильного исполнения команды.

Токовая петля – это двухпроводной интерфейс передачи информации, где данные закладываются в значение тока.

Благодарности

Большое спасибо Михаилу Гуку за интересные книги. Некогда авторы начинали изучение современной электроники с энциклопедией и изданий этого замечательного человека. Без интернета учебники приходилось терпеливо перелистывать руками, а мышки бегали преимущественно в подполе.

Компания muRata постоянно снабжает читателей свежей информацией, значит, теперь в курсе новостей окажутся и читатели. Рассматриваемая продукция уже упоминается в разделе про герконовые датчики. Речь о новейшей разработке – RedRock.

Необходимость токовой петли

Токовая петля 4-20 мА считается распространённым протоколом передачи информации датчиков. В индустрии часто возникает необходимость измерения физических параметров, к примеру:

Потребность возникает постоянно, когда информацию нужно передать на расстояния в сотни метров и более. Токовая петля считается медленным цифровым интерфейсом, и обусловлено это зарядом ёмкости кабеля от источника (что проявляется с ростом частоты), для аналоговых или дискретных устройств возможностей вполне хватает. Передатчики снабжаются аккумуляторами на 12 (реже) либо 24 В (чаще). Последние позволяют дальше передать информацию, значащим параметром становится ток, а не напряжение. Чем длиннее линия, тем ощутимее падение потенциала.

У приведённого технического решения есть пара недостатков. Во-первых, приходится использовать экранированные провода, во-вторых, увеличение дальности приводит к резкому снижению КПД. Типичная токовая петля состоит из четырёх компонентов:

  1. Источник питания. Месторасположение произвольное.
  2. Приёмник или монитор.
  3. Передатчик (сенсор).
  4. Преобразователь напряжения в ток.
Читайте также:  Чем почистить телевизор плазму

Сенсоры выдают информацию, пропорциональную измеряемому параметру, представленному напряжением. Следовательно, нужно заняться преобразованием в ток. Потом информация кодируется либо по уровню тока, либо в двоичный вид: 4 мА – нуль, 20 мА – единичка. На стороне приёмника информация расшифровывается.

Поклонники цифровых технологий заявляют о низком быстродействии токовой петли. Действительно, при погонной ёмкости в 75 пФ/м километровый отрез провода образует конденсатор с номиналом 75 нФ. С ростом частоты сопротивление падает, эффект сглаживания и фильтрации не даёт правильно работать с информацией. За 19 мкс конденсатор наполняется полностью от напряжения 5 В, обусловливая замеченное ограничение в 9,6 кбит/сек.

Собственно токовая петля считается отжившим протоколом, на её место готовы прийти прочие, массово используемые, к примеру, MIDI и малоизвестный средь широкой публики промышленный интерфейс HART.

Общая информация

Первым сюрпризом становится отсутствие единых стандартов. Доминирующими стали протоколы 4-20 мА, 0-20 мА и 0-60 мА, жёстких правил нет. В токовой петле может передаваться любая информация. Если это двоичный код, единице соответствует наличие тока в размере 20 мА в зависимости от настроек системы, а нулю – отсутствие сигнала либо наличие 4 мА. Если при передаче пакета происходит разрыв линии, это непременно опознаётся через стоп-байт.

Интерфейс применялся с 50-х годов, первоначально единица кодировалась как 60 мА постоянного тока. Следовательно, КПД системы оказывался намного ниже. Петля на 20 мА появилась в 1962 году как сигнал для телетайпов – для дистанционной печати сообщений (соединяла две электрические печатные машинки). С началом 80-х ток попытались уменьшить, не всегда успешно. Решили сделать компромисс:

  1. 4 мА означает «живой» нуль. Чтобы система точно знала, не произошёл ли в сети обрыв.
  2. Единицей остаётся 20 мА.

Основным ограничением служит расстояние передачи информации. На параметр влияет битрейт: на километровых дистанциях допустимая скорость передачи информации составляет 9600 бит/сек. Выше 19,2 кбит/сек линию не используют. В итоге на дальность влияют электрические параметры линии и уровень помех. Токовую петлю предполагалось заменить по задумкам Fieldbus, в действительности в обиход вошёл стандартный сегодня RS-485 (1983 год) – вариант COM-порта. И поныне терминалы по протоколу RS-232 присоединяются при помощи токовой петли, а на приёмной стороне производится нужное преобразование. Иногда по протоколу работают избранные принтеры. Пусть теоретический предел здесь составляет 115 кбис/с, на практике применяется 9600.

Особенность токовой петли – в передатчике не обращают внимание на напряжение. Мощность бывает разной. Главное – выдержать значение тока, 20 мА. Следовательно, чем линия длиннее, тем меньше КПД. Это неукоснительно исполняемое правило. Периодически встречается токовая петля с гальванической развязкой. Для этого используются оптопары и подобные полупроводниковые конструкции.

Как правило, кабель используется экранированный, чтобы избежать параллельных ёмкостных помех, которые не удаётся компенсировать или отследить. Для создания сети неплохо подходит экранированная витая пара. Благодаря тесному переплетению проводов, она избавляет от внешних наводок в виде индуктивных и синфазных помех. Для создания дуплексного канала используют две витые пары, программно интерфейс управляется через методы XON/XOFF. Достойные специализированные приложения обходят затруднение созданием предварительных запросов на передачу и ответов.

На приёмнике ток преобразуют в напряжение при помощи резистивного делителя. В зависимости от вольтажа применяются сопротивления 125 – 500 Ом. Иногда на стороне передатчика или приёмника ставится адаптер (преобразователь сигнала) к последовательному интерфейсу COM-порта. Падение напряжения на резисторе высчитывается по закону Ома, к примеру, для номинала 250 Ом это составит 250 х 0,02 = 5 В. Соответственно, приёмник возможно откалибровать при необходимости на нужный уровень.

Где применяется токовая петля

  1. Контроль технологических процессов. На производстве токовая петля 4-20 мА считается главным аналоговым интерфейсом. Используется «живой» нуль, когда полное отсутствие сигнала означает обрыв линии. Ток в 4 мА иногда используется как питание для передатчика либо входящий сигнал модулируется датчиком и возвращается в виде информации. Встречаются цепи, где батарея стоит отдельно, тогда модулируется её сигнал. Ни приёмник, ни передатчик не тратят собственную энергию.
  2. Во времена аналоговой телефонии токовая петля оставалась излюбленным интерфейсом для подключения. И сегодня ещё находятся бьющиеся током провода в квартирах. Здесь телефон питается от станции и модулирует сигнал для вызова абонента. Как в случае с датчиком, описанным выше. Эти линии остались в качестве наследия былых времён. К примеру, компания Система Белла применяет питание постоянным током до 125 В.
  3. Токовая петля иногда используется для передачи информации уровнем сигнала. К примеру, 15 мА означает «горим!», 6 мА – «все в порядке», 0 мА — обрыв линии. Любой местечковый производитель устанавливает собственные правила и пользуется протоколом.
  4. В телефонии через токовую петлю может контролироваться базовая станция. Это называется «дистанционный контроль постоянным током». К примеру, Motorola MSF-5000 использует постоянные токи для 4 мА для передачи сервисных сигналов. Пример подобного протокола:
  • Нет тока – вести приём на 1 канале.
  • +6 мА – передавать на 1 канале.
  • -6 мА – принять информацию на 2 канале.
  • -12 мА – передать на 2 канале.

Интерфейс MIDI

MIDI формат популярен среди музыкантов, это специализированный протокол цифровой звукозаписи. На физическом уровне он организован по схеме токовой петли 5 мА. Разумеется, из-за разницы уровней единиц напрямую два стандарта передачи не совместимы. Согласно Михаилу Гуку, MIDI разработан в 1983 году и стал правилом де-факто подключения синтезаторов.

Википедия сообщает, что в июне 1981 года корпорация Роланд подала крупному производителю синтезаторов – Обергейм Электроникс – идею стандартного интерфейса. Уже в октябре Смит, Обергейм и Какихаши обсудили это с правлением Ямаха, Корг и Каваи, а в ноябре на выставке общества AES продемонстрировали первый работоспособный вариант.

Два года интерфейс находился на доработке, и в январе 1983-го Смит объединил через MIDI два аналоговых синтезатора. Это позволило напрямую перекачивать аранжировки и создавать новые музыкальные композиции. Позднее файлы MIDI введены в поддержку операционной системы Windows, позволяя авторам напрямую заниматься обработкой мелодий, насыщая их новыми спецэффектами, отсутствующими в оригинальных синтезаторах. Внедрение сэмплов различных инструментов позволяло исполнителю воспроизводить музыкальное сопровождение любой сложности.

Применение MIDI

В MIDI используются физические линии на 5 мА. Редко встречается 10. Гальваническая развязка осуществляется через оптрон. Характерной чертой признано инвертирование сигнала:

Поэтому MIDI напрямую не совместим с обычной токовой петлёй. Физический интерфейс видели многие, но не знали название. Визуально розетка представляет собой диск диэлектрика с боковым вырезом, по периметру расположены 5 отверстий (DIN). Конструкция охвачена по кругу экраном. Музыканты насчитывают три вида интерфейса:

Порт MIDI иногда стоит на материнской плате персонального компьютера. Физически задействуются в нормальном режиме не используемые контакты 12 и 15 порта игрового адаптера DB-15S. Используемая здесь логика ТТЛ требует наличия адаптера для стыковки со стандартными синтезаторами по протоколу токовой петли. Микросхема преобразователя не слишком сложная, включает оптрон, диод, ряд логических элементов.

Порт MIDI программируется через UART как последовательный COM-порт. В продаже есть звуковые карты с MIDI либо отдельные платы расширения на свободные слоты.

Протокол HART

Это развитие протокола Fieldbus, массово применяемое в промышленности. Подосновой становится токовая петля 4-20 мА, а значит, может использовать витые пары, оставшиеся от морально устаревших протоколов. Поначалу стандарт считался укзоспециализированным связным интерфейсом, но в 1986 году вышел на всеобщее обозрение. Передача по HART идёт полными пакетами, имеющими состав:

  1. Преамбула – 5-20 байт. Служит для синхронизации и определения несущей.
  2. Старт-байт – 1 байт. Указывает номер хозяина шины.
  3. Адрес – от 1 до 5 байт. Присваивается хозяину, слуге и служит специальным признаком пакетного режима.
  4. Расширение – от 0 до 3 байт. Его длина указывается в старт-байте.
  5. Команда – 1 байт. То, что слуга должен исполнить.
  6. Число байтов данных – 1 байт. Размер поля данных в байтах.
  7. Данные – от 0 до 255 байтов. Данные, помогающие расшифровать порядок действий.
  8. Проверочная сумма – 1 байт. Содержит результат логической операции XOR для всех байтов, кроме стартового и заключительного в блоке данных.

Разумеется, пакетная структура характерна для цифровых устройств, нуждается в расшифровке для правильного исполнения команды.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector