связь и сетевые технологии щ е г о преоб) разова) т е л я (рис. 15, б). Па) рамет) ры входных цепей в данном случае удобнее привести к выходным це) пям. Значения приведенных параме) тров можно найти для инверторных схем из табл. 2. Примем k=w1/w2 — коэффициент трансформации. Для обратноходового преобразо) вателя , а и Схемотехника универсальных технологических контроллеров: устройства ввода/вывода и расширения Настоящая статья продолжает цикл публикаций, посвященных схемотехнике универсальных технологических контроллеров. В статье детализированы критерии выбора схем устройств ввода/вывода: интерфейсов RS&232C и RS&485, регистров, оптронов, интерфейса LCD&индикаторов, диспетчеров памяти (устройств расширения адресной шины), а также приведен обзор микросхем, выпускаемых наиболее известными производителями мира, и описаны микросхемы, наиболее удовлетворяющие выработанным критериям. Последовательные интерфейсы технологических контроллеров Современные технологические контроллеры, как правило, оснаща) ются одним или несколькими после) довательными интерфейсами. Эти интерфейсы могут использоваться для связи контроллеров с другим оборудованием: измерительными приборами, исполнительными меха) низмами, персональными компью) терами. Однако наиболее часто со) временные технологические кон) троллеры используются в составе командно)информационных сетей CI LAN (Command)Informational LAN) [1)3], локальных сетей, состоящих только из одного персонального компьютера (PC) и нескольких техно) логических контроллеров, называе) мых в этом случае периферийными станциями PS (Peripheral Stations) или просто станциями. Напомним, что основным прин) ципом CI LAN является то, что един) ственный в сети PC играет роль ге) нератора команд для всех техноло) гических контроллеров, а также получателя всей информации от них. При этом на PC как на наибо) лее мощный и оснащенный пери) ферией элемент сети возлагаются задачи по вторичной обработке и сохранению данных, их интерпре) тации и визуализации. Основными последовательными интерфейсами, используемыми в технологических контроллерах, являются интерфейсы RS)232C и RS)485. Узлы связи технологиче) ских контроллеров в CI LAN называ) ют сетевыми диспетчерами. Наи) более простые сетевые диспетче) ры CI LAN описаны в литературе [3]. В более сложных универсаль) ных технологических контроллерах обычно используют комбинирован) ные сетевые диспетчеры, в состав которых включают и RS)232, и RS) 485, а иногда и другие интерфей) сы. Наличие в составе сетевого диспетчера нескольких интерфей) сов значительно повышает гиб) кость систем за счет возможности подключения к CI LAN дополни) тельного оборудования или созда) ния многоуровневых CI LAN. На рис.1 показана принципиаль) ная схема одного из вариантов ком) бинированного сетевого диспетче) Георгий Волович g_volovich@mail.ru Литература 1.Волович Г. И. Динамика вентиль) ных источников вторичного элек) тропитания постоянного тока. — М.: Энергоатомиздат, 1991. 2.Wester G. W., Middlebrook R. D. Low)Frequency Characterization of Switched DC)DC Converters // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES)9, ра универсального технологическо) го контроллера. Принципиальная схема комбини) рованного сетевого диспетчера со) держит следующие узлы: интер) фейс RS)232C (D1), интерфейс RS)485 (D4), настраиваемый узел оптической развязки (D5–D7), узел коммутации (D2, D3). Интерфейсы RS)232C, интерфейс RS)485 и узел коммутации подробно описаны в литературе [3]. Диспетчер имеет независимые линии управле) ния приема и передачи каждого ин) терфейса, что позволяет, например, принимать одновременно сигналы по одному или двум каналам (разу) меется, с обнаружением конфлик) тов) и передавать данные в любой из интерфейсов или в оба сразу. Настраиваемый узел оптической развязки (D5–D7) с помощью пере) мычек JP3 можно модифицировать либо на работу в качестве оптичес) ки развязанных входов внешних прерываний, либо в качестве опти) чески изолированного интерфейса сети SISNET [3]. Штыревые разъемы (типа PLD) JP1–JP3 используются для подклю) чения с помощью гибкого кабеля к разъемам DB9, которые обычно ус) танавливаются на корпусе станции, а также для обеспечения необходи) мой коммутации сигналов и «зем) ли». Перемычка JP4 используется в сети RS)485 только тогда, когда станция подключена к концу шины (шлейфа). Перемычки JP5–JP10 предназначены для настройки кон) фигурации диспетчера. Следует также отметить, что кро) ме показанных на рис. 1 интерфей) сов в последнее время практичес) ки во всех контроллерах станций устанавливаются дополнительные разъемы PLD для подключения к линиям интерфейса SPI (Serial Peripheral Interface), который в ранних контроллерах реализуется программно, а в более старших — • выбранные регистры и шинные формирователи должны иметь одинаковую разводку линий вво) да/вывода и питания, так как это повышает гибкость технологиче) ских контроллеров за счет воз) можности при необходимости простой замены регистров на шинные формирователи и наобо) рот; Рис.1. Принципиальная схема комбинированного сетевого диспетчера аппаратно. Для совместимости с аппаратно реализованным интер) фейсом рекомендуется выводить линии SS/ (линия P14), MOSI (P15), MISO (P16), SCK (P17). Регистры ввода/вывода технологических контроллеров Узлы ввода/вывода технологи) ческих контроллеров чаще всего выполняются на основе регистров и шинных формирователей. В на) стоящее время производится до) статочно большой ассортимент таких микросхем с различным по) треблением и быстродействием. Отметим основные требования к регистрам и шинным формирова) телям: • очевидными требованиями явля) ются малое энергопотребление и достаточно высокое быстродей) ствие; • поскольку технологические кон) троллеры оперируют в основном байтовыми величинами, регист) ры и шинные формирователи так) же должны иметь байтовую орга) низацию (разрядность 8); • желательно, чтобы разводка вы) водов входов и выходов имела последовательное расположе) ние, так как это значительно уп) рощает разводку печатной платы, позволяет снизить количество переходных отверстий, умень) шить площадь и, соответственно, стоимость платы, а также увели) чивает надежность; • желательно, чтобы выпускались микросхемы регистров и шинных формирователей с прямыми и инверсными выходами, что также повышает гибкость. Всем перечисленным требова) ниям, кроме малого энергопо) требления и высокого быстродей) ствия, отвечают широко извест) ные регистры КР580ИР82/83 и шинные формирователи КР580ВА86/87. Однако потребле) ние только одной такой микросхе) мы часто превышает потребление всех остальных микросхем техно) логического контроллера и может достигать у отдельных экземпля) ров 100 мА. Существуют аналогич) ные микросхемы с низким потреб) лением (i82C82/83, i82C86/87), однако они получили малое рас) пространение и практически недоступны. Среди современных развиваю) щихся серий микросхем наиболее широкий ассортимент имеет се) рия 74. Микросхемы этой серии 74HC и 74HCT имеют очень низкое среднее энергопотребление и до) статочно высокое быстродейст) вие. Приведем таблицу с наиболее распространенным микросхемами 8)разрядных регистров и шинных формирователей этой серии (табл.1). Ознакомиться с техническими данными этих микросхем можно на сайтах фирм Texas Instruments [4], Philips [5], Toshiba [6], IDT [7], Pericom [8], Hitachi [9]. Полная но) менклатура серии 74 с вариантами замены на отечественные микро) схемы приведена Интернете [10]. Анализ приведенных в табл. 1 ми) кросхем позволил выявить наибо) лее удачный комплект микросхем регистров и шинных формировате) лей (рис. 2). К сожалению, не удалось подо) брать комплект микросхем с пол) ным совпадением номеров выво) дов входов и выходов (как это сде) лано в серии КР580ИР82/83 и КР580ВА86/87). Однако эти мик) Таблица 1. Наиболее распространенные микросхемы регистров и шинных формирователей ˝ ŒŁ º Ł ˛ æ ß 74HC240 Восьмиразрядный буфердрайвер линии с инверсией и тремя состояниями АП3 74HC241 Восьмиразрядный буфердрайвер линии с тремя состояниями АП4 74HC244 Восьмиразрядный буфердрайвер линии с тремя состояниями АП5 74HC245 Восьмиразрядный приемник шины АП6 74HC273 Восьмиразрядный D регистр со сбросом и срабатыванием по положительному фронту ИР35 74HC373 Восьмиразрядный D регистрзащелка с третьим состоянием ИР22 74HC374 Восьмиразрядный D регистр со срабатыванием по положительному фронту ИР23 74HC377 Восьмиразрядный D регистр с разрешением данных ИР27 74HC465 Восьмиразрядный буфер с тремя состояниями АП14 74HC534 Восьмиразрядный D регистр со срабатыванием по положительному фронту, с инверсией и тремя состояниями ИР41 74HC540 Восьмиразрядный буфердрайвер линии с инверсией и тремя состояниями АП12 74HC541 Восьмиразрядный буфердрайвер линии с тремя состояниями АП13 74HC543 Восьмиразрядный регистровый передатчик 74HC563 Восьмиразрядный D регистрзащелка с третьим состоянием и инверсией 74HC573 Восьмиразрядный D регистрзащелка с третьим состоянием ИР33 74HC574 Восьмиразрядный D регистр с третьим состоянием и срабатыванием по положительному фронту ИР37 74HC580 Восьмиразрядный D регистрзащелка с инверсией 74HC640 Восьмиразрядный шинный передатчик с инверсией и тремя состояниями АП9 74HC641 Восьмиразрядный шинный передатчик АП7 74HC645 Восьмиразрядный шинный передатчик АП8 74HC646 Восьмиразрядный шинный передатчик/регистр с тремя состояниями ВА1 74HC652 Восьмиразрядный шинный передатчик/регистр с тремя состояниями АП24 росхемы наиболее удовлетворяют всем остальным требованиям. В универсальных технологичес) ких контроллерах, оснащенных се) тевыми диспетчерами, обязатель) Модификаторы адреса Рис. 2. Комплект микросхем регистров и шинных формирователей, оптимальный для применения в технологических контроллерах º ªŁ но должен присутствовать модифи) катор адреса — узел, позволяющий установить уникальный индивиду) альный адрес контроллера (стан) ции) в сети. Существует достаточно много различных вариантов испол) нения модификаторов. В некоторых случаях с целью эко) номии места на печатной плате уникальный адрес прошивается во Flash)памяти микроконтроллера. Недостаток такой реализации мо) дификатора очевиден — необходи) мо для каждой станции иметь уни) кальную прошивку. Модификатор может быть выпол) нен в виде программно)доступного регистра, входы которого подтяну) ты резисторами к питанию, и к этим же входам подключены перемычки (рис. 3). Вместо перемычек может быть использован переключатель типа ВДМ или аналогичный. В последнее время в особо от) ветственные изделия стали встра) ивать новый тип модификаторов, получивший название iButton. Это гибридный полупроводниковый прибор, выполненный в корпусе из нержавеющей стали, внешне очень похожем на литиевую бата) рейку. Приборы выпускаются в двух типах корпусов — F5 и F3. Диаметр обоих корпусов около 17 мм, а толщина соответственно 6 и 3 мм. Такой корпус обеспечивает высокую механическую прочность и время жизни изделия. Чашка кор) пуса является общим выводом, а электрически изолированная Рис. 3. Вариант реализации модификатора адреса крышка — сигнальным электро) дом. Прибор содержит внутри ли) тиевую батарейку и целый набор функциональных узлов. Батарейка обеспечивает непрерывное функ) ционирование прибора в течение не менее 10 лет. Главным функциональным узлом прибора, безусловно, является по) стоянное запоминающее устройст) во (ПЗУ), содержащее 64)битный код. В состав этого кода входят байт кода типа прибора, шесть байт уникального серийного номера и байт контрольной суммы. Уникаль) ный серийный номер записывается с помощью лазерной технологии при изготовлении прибора. Пита) ние ПЗУ осуществляется по сиг) нальной линии, что экономит емкость батарейки и обеспечивает независимость считывания. В некоторых приборах имеется оперативное запоминающее уст) ройство (ОЗУ), которое питается от встроенной батарейки и может хра) нить информацию не менее 10 лет. ОЗУ имеет страничную организа) цию по 32 байта и может содержать от 4 до16 страниц у различных мо) делей. Прибор имеет буфер данных для верификации записанной в нем информации перед записью в ос) новное ОЗУ. В еще более сложных приборах имеется паролирование данных записи в ОЗУ. Кроме того, некоторые из этих приборов имеют встроенные таймеры реального времени с отображением данных времени и календаря в дополни) тельную страницу памяти. Более подробно ознакомиться с характе) ристиками и номенклатурой этих приборов можно в Интернет [11]. Использование этого прибора влечет за собой необходимость ис) пользования специального контакт) ного устройства и микросхемы счи) тывания, что значительно увеличива) ет стоимость изделия, снижает быстродействие и увеличивает пло) щадь печатной платы. Использова) ние iButton в любой аппаратуре должно быть очень серьезно обосно) вано и аргументировано. По мнению автора, реализация модификатора адреса станции с перемычками, устанавливаемыми на двухрядный разъем PLD, являет) ся наиболее удачной, поскольку не) задействованные входы регистра при необходимости могут быть ис) пользованы как входные линии. Кроме того, такая реализация де) шевле варианта с переключателем и занимает меньше места на печат) ной плате. Оптически развязанные узлы Рис. 4. Схема подключения LCDиндикатора Многие задачи, которые прихо) дится решать универсальным тех) нологическим контроллерам, тре) буют гальванической развязки вхо) дов или выходов контроллера от всевозможных исполнительных ус) тройств, каналов ввода и датчиков. Наиболее часто для этих целей ис) пользуются оптические элементы развязки — транзисторные оптопа) ры (Optocouplers). Как правило, со) временные транзисторные оптопа) ры изготавливаются в корпусах DIP6 и DIP8. Очевидно, что корпус DIP6 более удобен для применения в технологических контроллерах, поскольку позволяет создавать бо) лее компактные (по площади печат) ной платы) изделия. Отметим также, что при выборе оптопар для создания технологиче) ских контроллеров в первую оче) редь обращается внимание на сле) дующие параметры: • максимальное быстродействие (время включения Ton, время вы) ключения Toff) оптронов; • максимальное допустимое на) пряжение коллектор)эмиттер за) крытого транзистора Uce; • максимальное допустимое на) пряжение база)эмиттер закрыто) го транзистора Ube; • минимальное напряжение насы) щения открытого транзистора Uce.sat; • максимальное напряжение раз) вязки Uoi; • максимальное отношение тока коллектора открытого транзисто) ра Ic к току светодиода IF; • доступность оптопар. Справочные данные наиболее подходящих по приведенным выше критериям импортных оптронов в корпусе DIP6 приведены в табл. 2. С полным перечнем выпускаемых импортных оптронов в корпусах DIP6 и DIP8 и их характеристиками можно ознакомиться, например в Интернет [10]. Довольно полные справочные данные на некоторые отечественные оптроны приведены в [12]. В табл. 2 включены только те оп) троны, время включения/выключе) ния которых менее 10 мкс (за ис) ключением широко распространен) ных оптронов серии 4N). Разводка выводов оптопар в кор) пусе DIP6: 1 — положительный вы) вод светодиода (анод); 2 — отрица) тельный вывод светодиода (катод); 3 — не используется; 4 — эмиттер транзистора; 5 — коллектор тран) зистора; 6 — база транзистора (ис) пользуется в некоторых типах оп) тронов). Как видно из табл. 1, широко рас) пространенные оптроны 4N35 не являются лучшими в плане быстро) действия. При включении оптронов в качест) ве входных обычно последовательно с плюсовым выводом светодиода включается резистор, величина ко) торого выбирается из расчета вели) чины тока 10 мА при рабочем напря) жении (за исключением специаль) ных случаев, например, когда ток источника сигнала лимитирован). Иногда встречно)параллельно све) тодиоду включается защитный диод (обычно КД522). При этом, по воз) можности, не следует объединять все входные минусовые линии вмес) те, так как это снижает возможность более гибкого использования оптро) нов. Выходные схемы включения оп) тронов могут выполняться с общим эмиттером и коллектором, в зависи) мости от требований к выходным сигналам. При включении оптронов в каче) стве выходных, обычно выводят свободные коллекторы и эмитте) ры, которые также можно защи) тить встречно)параллельным включением диодов и последова) тельным резистором, включенным в коллектор. Обычно в технологических кон) троллерах с оптической изоляцией реализуют реакцию на сигналы от внешних источников прерываний, в некоторых случаях оптически раз) вязывают последовательные ин) терфейсы, а также делают один) два оптически развязанных выхода для подключения различной сигна) лизации или других исполнитель) ных устройств. С целью экономии площади печатной платы и сниже) ния стоимости изделия входные и выходные байтовые шины на самом контроллере выполняют достаточ) но редко, так как значительно удоб) нее изготовить маленькую допол) нительную плату развязки и при не) обходимости соединять ее плоским кабелем с универсальным контрол) лером. Интерфейс LCD;индикаторов В последнее время в состав прак) тически любого серьезного универ) сального технологического контрол) лера включается интерфейс с жидкокристаллическими интеллек) туальными символьными индикато) рами (LCD). Интерфейс в этом слу) чае — понятие достаточно условное, так как никаких дополнительных ми) кросхем для подключения LCD не требуется. Достаточно на плате ус) тановить PLD разъем 2х17. Схема подключения LCD)индикатора пока) зана на рис. 4. Схема настолько простая, что тре) буется всего несколько дополни) тельных замечаний. Рекомендуется использовать указанные на схеме линии портов ввода/вывода для обеспечения совместимости с дру) гими узлами универсальных техно) логических контроллеров. Кроме то) Таблица 2. Характеристики наиболее распространенных транзисторных оптопар в корпусе Ic/IF, Ł IF>10 A, % Ł U ce, max,´ U be, ´ U ce.sat, ´ Ton / Toff, Max, Œæ U oi, Œ ´ß Æ ß min max 4N25 20 — 30 70 0,5 1,2/1,3 5,3 + 4N26 20 — 30 70 0,5 1,2/1,3 5,3 + 4N27 10 — 30 70 0,5 1,2/1,3 5,3 + 4N28 10 — 30 70 0,5 1,2/1,3 5,3 + 4N35 100 — 30 70 0,3 10/10 5,3 + 4N36 100 — 30 70 0,3 1010 5,3 + 4N37 100 — 30 70 0,3 1010 5,3 + CNX83A 40 — 50 70 0,4 3/3 5,3 + IL74 12.5 — 20 70 0,3 3/3 5,3 MCT2 20 — 30 70 0,4 1,2/1,3 5,3 MCT271 45 90 30 70 0,4 7/7 5,3 MCT276 15 60 30 70 0,4 3,5/3,5 5,3 MCT2E 20 — 30 70 0,4 1,2/1,3 5,3 PC111L 50 — 35 70 0,2 4/3 5 PC112L 40 — 70 70 0,2 4/3 5 PS2601 80 600 50 — — 3.5 5 PS2651 50 400 50 — — 3.5 5 SFH6000 40 80 70 — 0,4 3/3 5,3 SFH6001 63 125 70 — 0,4 3/3 5,3 SFH6002 100 200 70 — 0,4 3/3 5,3 SFH6003 160 320 70 — 0,4 3/3 5,3 SFH6010 40 80 100 — 0,4 3/2,3 5,3 SFH6011 63 125 100 — 0,4 3/2,3 5,3 SFH6012 100 200 100 — 0,4 3/2,3 5,3 SFH6013 160 320 100 — 0,4 3/2,3 5,3 SFH6082 63 125 55 — 0,4 8/7,5 5,3 SFH6083 100 200 55 — 0,4 8/7,5 5,3 SFH6084 160 320 55 — 0,4 8/7,5 5,3 SFH6085 250 500 55 — 0,4 8/7,5 5,3 SFH6401 40 80 300 300 0,4 5/6 7,5 SFH6402 63 125 300 300 0,4 5/6 7,5 SFH6403 100 200 300 300 0,4 5/6 7,5 TIL111 8 — 30 70 0,4 5/5 1,5 TIL112 2 — 20 70 0,5 2/2 1,5 TIL117 50 — 30 70 0,4 5/5 2,5 TIL126 50 — 30 70 0,4 2/2 1,5 го, рекомендуется устанавливать ог) раничивающий резистор R1 для уве) личения срока службы светодиодов подсветки. Резистор R2 необходим для настройки контрастности при различных исполнениях LCD. При этом в качестве отрицательного ис) точника питания можно либо исполь) зовать соответствующий выход мик) росхемы MAX232 (или аналогов) или специальную микросхему для полу) чения отрицательного напряжения, либо усложнять источник питания (что нецелесообразно). чаях условия эксплуатации системы требуют наличия в технологических контроллерах встроенных узлов формирования телевизионных изо) бражений. Другие типы индикато) ров, в том числе и графические LCD, не подходят либо по быстродейст) вию, либо по другим условиям экс) плуатации. В этих случаях в состав технологического контроллера включается дополнительная память изображений на один или несколько кадров (чаще два). Формат изобра) жения при этом обычно составляет Диспетчеры памяти техноло; гических контроллеров 256·256 точек. На кодирование цве) та точки отводится 1 байт. Нетрудно подсчитать, что на один такой кадр необходимо как раз 64 К памяти, а на три (два кадра и подсистема ввода/вывода) необходимо соответ) ственно 192 К. Вот в этих)то случаях без диспетчера памяти не обойтись. Идея диспетчера памяти достаточно проста: включить в состав контрол) лера дополнительный программно доступный регистр, выходной байт которого сделать старшим байтом адреса (ADDR16)ADDR23) [13]. В этот регистр можно заранее запи) сать адрес необходимого куба (на) пример, одного из кубов кадров изо) бражения), а при обращении к Лишь в некоторых очень сложных универсальных технологических контроллерах используются диспет) черы памяти — узлы управления внешней памятью с расширением адресного пространства. Совре) менные микроконтроллеры имеют 64 К адресного пространства (обыч) но называют «кубом памяти»). Как правило, этого хватает для боль) шинства применений, так как это ад) ресное пространство используется только для организации дополни) тельной RAM и подсистемы вво) да/вывода. Однако в некоторых слу) внешней памяти (при выработке сигналов RD/ и WR/) открывать вы) ход регистра на время обмена с па) мятью. Таким образом, с помощью одного регистра адресное прост) ранство микроконтроллера можно увеличить с 64 К до 16 М. Олег Николайчук onic@ch.moldpac.md Литература 1.Nicolaiciuc O., Gutuleac E., Cheibas V. The Main Principles of Small System Development for Manufacturing and Research Automation // Computer Sciences Journal of Moldova, 1999, vol. 7, № 2 (20), p. 237–246. 2.Nicolaiciuc O. A PC and Local Microcontroller Network Interface // Instruments And Experimental Technique, Consultants Bureau, New York, Vol. 43, № 3, 2000, p. 318–320. 3.Николайчук О. Командно)инфор) мационные сети — что это такое? // Схемотехника, 2001, № 6, с. 26–30; № 7, с. 37–41. 4.http://www.ti.com 5.http://www.philips.com/Information Center/ 6.http://www.toshiba.com/ 7.http://www.idt.com 8.http://www.pericom.com 9.http://www.hitachi.com