Разработка интерфейса «Токовая петля» для промышленной сети управления технологическим оборудованием

 

Современные компьютерные технологии в промышленности способствуют широкому использованию в оборудовании микропроцессорной техники и микроконтроллеров (МК). Это позволяет решать задачу гибкого управления промышленным оборудованием через различного рода интерфейсы (см. гл. 1). Однако для этого требуются специальные коммуникационные системы, обеспечивающие надежный помехоустойчивый обмен данными между МК и промышленным оборудованием.

Как один из вариантов, может быть использован международный стандарт ISO 9141, регламентирующий взаимодействие между системой управления и, собственно, оборудованием. Данный интерфейс поддерживает режим «Токовая петля». Протокол данной шины обеспечивает двунаправленный обмен данными между электронным блоком управления оборудованием (микроконтроллером) и непосредственно оборудованием [10]. Двунаправленный обмен данными осуществляется по так называемой шине «K-line» (рис. 8).

 

Рисунок 8 - Блок-схема системы управления промышленным оборудованием, показывающая взаимодействие электронных блоков управления (БУ1, БУ2) с оборудованием через интерфейс стандарта ISO 9141

Передаточным звеном в системе - «электронный блок управления (например МК) - оборудование», является интерфейс ISO 9141 или ISO «K-line». Данный интерфейс поддерживает две шины: двунаправленную шину «K-line», обеспечивающую последовательный двунаправленный обмен данными между микроконтроллером и промышленным оборудованием, а также шину «L-line», обеспечивающую последовательную однонаправленную передачу данных от оборудования к микроконтроллеру. При этом во всех случаях, в которых по шине «L-line» не передается информация, её состояние должно соответствовать логической «1» Инициализация адреса шины «L-line» должна осуществляться по шине «K-line».

Интерфейс стандарта ISO 9141 может быть реализован как на дискретных компонентах, так и в виде ИМС. В последнем случае преимущества очевидны: небольшая стоимость, высокая надежность, малые габариты. Функциональная схема такой ИМС, содержащей шины «K-line» и «L-line» (рисунок 9) обеспечивает обмен данными между БУ и промышленным оборудованием следующим образом: сигналы электронного блока управления поступают на вход TX интерфейса.

 

Рисунок 9 - Функциональная схема ИМС интерфейса стандарта ISO 9141, содержащей шины «K-line» и «L-line»

При чтении блоком управления сигналов с диагностического тестера по шине «K-line», сигналы поступают на дифференциальный усилитель ДУ2 и с его выхода через логический блок на выход RXK, с которого осуществляется чтение данных. При этом на входе TX должен присутствовать сигнал логической «1», что обеспечивает закрытое состояние транзистора выходного каскада и блокировку шины «L-line» (на выходе RXL состояние логической «1»). При подаче на вход TX сигнала логического «0», транзистор выходного каскада шины «K-line» переходит в открытое состояние и канал чтения RXK блокируется (на выходе RXK состояние логической «1»), но при этом активизируется канал чтения шины «L-line». С выхода RXL будет осуществляться чтение данных [11].

В соответствии с этой концепцией многие известные электронные компании разработали и выпускают интерфейсные ИМС, поддерживающие стандарт ISO 9141. Например, это такие ИМС как L9637 и L9613B (STMicroelectronics) [12].

Однако, в связи с тем, что в настоящее время в качестве электронных блоков управления широко применяются МК, обеспечивающие гибкую взаимосвязь с промышленным оборудованием, надобности в шине «L-line» нет, поскольку шина «K-line» исчерпывает весь необходимый объем обмена данными в режиме «Токовая петля». В соответствии с такой концепцией (рисунок 10), информация от МК подается на вход TX интерфейса. При сигнале на входе CS, соответствующем логической «1», сигналы проходят логическую схему «2И-НЕ» и далее через буферный каскад на базу мощного транзистора выходного каскада, с коллектора которого сигналы поступают на шину «K-line» [11]. При этом, как правило, обеспечивается полудуплексный режим: сигналы, поступающие на шину «K-line» одновременно через ДУ поступают на выход RX, с которого производится чтение данных, передающихся в диагностический тестер. Это обеспечивает более жесткий контроль за обменом информацией. При чтении данных с оборудования, сигналы на входах TX и CS должны соответствовать уровням логической «1», тогда данные с шины «K-line» через ДУ будут поступать на выход чтения RX.

 

Рисунок 10 - Функциональная схема ИМС интерфейса стандарта ISO 9141, содержащей только шину «K-line»

 

оптимальный алгоритм работы интерфейса ISO 9141 и более оптимальное схемотехническое построение ИМС. Поэтому в настоящий момент появились интерфейсные ИМС, содержащие только шину «K-line», это например такие ИМС как MC33290 (Motorola) [13] и TLE6258 (Infineon) [14] или отечественная ИМС К1055ХВ8Р [17].

При передаче информации на промышленное оборудование, сигнал от МК поступает на вход TX ИМС MC33290 (рисунок 11). Уровни логического «0» и логической «1» формируются триггером Шмитта [13] в соответствии с протоколом ISO/WD 14230-1 [16].

 

Рисунок 11 - Структурная схема ИМС MC33290 (К1055ХВ8Р)

 

Таблица 6.1 - Функциональное назначение выводов ИМС (рисунок 4)

Номер вывода	Назначение
1	Вывод подачи напряжения питания бортовой сети (UBB)
2	Не подключен
3	Общий (GND)
4	Вывод двунаправленной шины «K-Line» (ISO)
5	Вывод передачи данных от компьютера к диагностическому тестеру (Tx)
6	Вывод чтения данных компьютером с диагностического тестера (Rx)
7	Вывод подачи стабилизированного напряжения питания 5 В (UDD)
8	Вход управления переключением «рабочий режим / дежурный режим» (CEN)

 

Затем передаваемый сигнал через транзистор T1 поступает на базу мощного транзистора T2 выходного каскада, с коллектора которого сигнал передается на шину «K-line». ИМС MC33290 поддерживает полудуплексный режим работы, в соответствии с которым сигнал, передаваемый по шине «K-line» в диагностическое устройство, одновременно передается на выход чтения данных RX.

В режиме чтения данных диагностического тестера (рисунок 5), на входе TX ИМС должен присутствовать сигнал логической «1». При этом транзистор T2 будет закрыт и сигнал с шины «K-line» через входной триггер Шмитта, отслеживающий логические уровни шины «K-line», передаётся на выходной триггер Шмитта, формирующий соответствующие логические уровни МК.

Вход CEN обеспечивает два режима работы ИМС MC33290: рабочий режим (на входе CEN сигнал логической «1») и дежурный режим (на входе CEN сигнал логического «0»), обеспечивающий выключенное состояние ИМС с малым потреблением тока.

Цепь R3, T3, управляемая напряжением на резисторе R4, обеспечивает защиту от импульсных помех в бортовой сети, попадающих в ИМС по выводу питания UBB.

Блок тепловой защиты обеспечивает контроль температуры кристалла ИМС. При достижении температуры до T/150 ^oC происходит выключение ИМС и переход в режим с малым потреблением тока.

Предельные значения основных параметров приведены в таблице 6.2.

ИМС MC33290 изготавливается в корпусе DIP-8 и SO-8.

 

Таблица 6.2 - Предельные значения основных параметров ИМС MC33290

Условное обозначение	Параметр	Величина	Ед. измер.
UDD	Диапазон напряжение питания по выводу 7	-0,5-12	В
UBB	Максимальное напряжение по выводу 1	40	В
IISO(LIM)	Максимальный ток по выводу 4 в режиме короткого замыкания	1	А
PD	Максимальная мощность рассеивания (T=25 oC) 1)	0,8	Вт
Tamb	Рабочий диапазон температур	-45 - 150	oC
RJA	Тепловое сопротивление (кристалл-окружающая среда)	150	oC/Вт

 

Основные электрические параметры ИМС приведены в таблице 3.

ИМС MC33290 преобразует логические уровни МК в логические уровни промышленного оборудования. В большинстве типовых применений, (рисунок 11), ИМС MC33290 обеспечивает двунаправленный обмен данными со скоростью 10 Кбит/с. Время задержки прохождения сигнала не превышает 2 мкс. Скорость нарастания и спада сигнала на выходе ISO «K-Line» (вывод 4) также не превышает 2 мкс.

По входам питания ИМС (вывод 1 и вывод 7) имеется защита от смены полярности питающих напряжений. В режиме короткого замыкания вывода 4 на шину питания при открытом транзисторе выходного каскада (транзистор T2 на рисунке 4) включается режим ограничения тока коллектора транзистора T2 до уровня не более 1 А. При этом происходит разогрев кристалла до температуры срабатывания тепловой защиты, после чего ИМС MC33290 выключается.

 

Таблица 6.3 - Электрические параметры при T_amb=25^oC, U_DD=5В, U_BB=12В

Параметр	Обозначе-ние	Не менее	Тип.	Не более	Ед. изм.
1	2	3	4	5	6
Ток по выводу 7 в дежурном режиме	IDD(SS)	-	-	4	мА
Ток по выводу 7 в рабочем режиме	IDD(Q)	-	-	10	мА
Ток по выводу 1 в дежурном режиме	IBB(SS)	-	-	0,1	мА
Ток по выводу 1 в рабочем режиме	IBB(Q)	-	-	2	мА
Высокий уровень напряжения по выводу 8 1)	UIH(CEN)	0,7UDD	-	-	В
Низкий уровень напряжения по выводу 8	UIL(CEN)	-	-	0,3UDD	В
Ток по выводу 8 в состоянии низкого уровня	IPD(CEN)	-	-	0,1	мА
Напряжение низкого уровня по выводу 5 (RISO=510 Ом)	ULTP(Tx)	-	-	0,3UDD	В
Напряжение высокого уровня по выводу 5 (RISO=510 Ом) 2)	UUTP(Tx)	0,7UDD	-	-	В
Ток по выводу 5 в состоянии низкого уровня	IPU(Tx)	-	-	0,1	мА
Напряжение низкого уровня по выводу 6 (RISO=510 Ом)	UL(Rx)	-	-	0,2UDD	В
Напряжение высокого уровня по выводу 6 (RISO=510 Ом)	UH(Rx)	0,7UDD	-	-	В
Напряжение низкого уровня по выводу 4 (RISO=0 Ом, Tx=0,8UDD)	ULTP(ISO)	-	-	0,4UBB	В
Напряжение высокого уровня по выводу 4 (RISO=0 Ом, Tx=0,8UDD)	UUTP(ISO)	0,8UBB	-	-	В
Ток по выводу 4 при RISO=: Ом, Tx=0,8UDD, UISO=0,5UBB	IPU(ISO)	-	-	0,5	мА
Ток по выводу 4 в режиме ограничения (RISO=0 Ом, Tx=0,4UDD, UISO=UBB)	ISC(ISO)	50	-	1000	мА
Температура срабатывания тепловой защиты	TLIM	140	150		oC

 

Передача и приём данных ИМС MC33290 осуществляются по выводу ISO (вывод 4). Конденсатор C3, подключенный к выводу 4 ИМС (ISO), обеспечивает подавление импульсных помех на линии «K-Line».