Токовая петля

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

Благодарности

Большое спасибо Михаилу Гуку за его интересные книги. В своё время авторы начинали изучение современной электроники именно с энциклопедией и изданий этого замечательного человека. Тогда не было интернета, и все учебники приходилось терпеливо перелистывать руками, а мышки бегали преимущественно в подполе.

Компания muRata постоянно снабжает своих читателей самой свежей информацией, значит, теперь в курсе новостей будут и наши читатели. Разумеется, нужно им сказать спасибо. Рассматриваемая продукция уже упоминается в разделе про герконовые датчики. Речь о новейшей разработке – RedRock.

Зачем нужна токовая петля

Токовая петля 4-20 мА является самым распространённым протоколом передачи информации датчиков. В индустрии часто возникает необходимость измерения физических параметров, таких как:

  • Давление.
  • Температура.
  • Поток жидкости.

Такая потребность возникает всякий раз, как информацию нужно передать на расстояния в сотни метров и более. Несмотря на то, что токовая петля является достаточно 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 обычно снабжаются аккумуляторами на 12 (реже) или 24 В (чаще). Последние позволяют дальше передать информацию, потому что значащим параметром является ток, а не напряжение. Чем длиннее линия, тем значительнее в ней падение потенциала.

У этого технического решения есть пара недостатков. Во-первых, приходится использовать экранированные провода, а, 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 обычно выдают информацию, пропорциональную измеряемому параметру, которая представлена напряжением. Следовательно, нужно заняться преобразованием его в ток. Затем информация кодируется либо по уровню тока, либо в двоичный вид: 4 мА – нуль, 20 мА – единичка. На стороне приёмника эта информация должна быть расшифрована.

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

И хотя сама по себе токовая петля может считаться отжившим своё протоколом, на её место готовы прийти многие другие, которые и сегодня ещё активно используются. Это, прежде всего, MIDI, а также малоизвестный средь широкой публики промышленный интерфейс HART.

Общая информация

Первым сюрпризом является отсутствие единых стандартов. Хотя доминирующими стали протоколы 4-20 мА, 0-20 мА и 0-60 мА, жёстких правил не существует. В токовой петле может передаваться любая информация. Если это двоичный код, то единице соответствует наличие тока в размере 20 мА в зависимости от настроек системы, а нулю – отсутствие какого-либо сигнала вообще, либо наличие 4 мА. Если при передаче пакета происходит разрыв линии, то это непременно будет замечено через стоп-байт.

Интерфейс активно применялся с 50-х годов и первоначально единица кодировалась, как 60 мА постоянного тока. Следовательно, КПД системы был намного ниже. Петля на 20 мА появилась в 1962 году, как сигнал для телетайпов, то есть для дистанционной печати сообщений (соединяла две электрические печатные машинки). С началом 80-х ток ещё раз попытались уменьшить, но это не всегда удавалось, поэтому решили сделать компромисс:

  1. 4 мА означает «живой» нуль. Чтобы система точно знала, не произошёл ли в сети обрыв.
  2. В качестве единицы остаётся 20 мА.
Читайте также:  Токовая отсечка

Основным ограничением служит расстояние, на которое нужно передать информацию. Также на этот параметр влияет битрейт: на километровых дистанциях допустимая скорость передачи информации составляет 9600 бит/сек. Выше 19,2 кбит/сек линию не используют вовсе. В итоге на дальность также влияют электрические параметры линии и уровень помех. Токовую петлю должен был заменить по задумкам Fieldbus, но на самом деле в обиход вошёл стандартный ещё и сегодня RS-485 (1983 год) – один из вариантов COM-порта. До сих пор терминалы по протоколу RS-232 могут присоединяться при помощи токовой петли, а на приёмной стороне производится нужное преобразование. Иногда под этому протоколу работают некоторые принтеры, хотя теоретический предел здесь составляет 115 кбис/с, на практике обычно применяется 9600.

Особенностью токовой петли является то, что в передатчике не обращают внимание на напряжение. Мощность может быть разной. Главное – чтобы было выдержано значение тока, то есть 20 мА. Следовательно, чем линия длиннее, тем меньше её КПД. Это неукоснительно исполняемое правило. Время от времени встречается токовая петля с гальванической развязкой. Для этого используются оптопары и тому подобные полупроводниковые конструкции.

Как правило, кабель используется экранированный. Это нужно для того, чтобы избежать параллельных ёмкостных помех, которые никак не удаётся компенсировать или отследить. В частности, для создания сети неплохо подходит экранированная витая пара. Благодаря тесному переплетению проводов она прекрасно избавляет от внешних наводок в виде индуктивных и синфазных помех. Для создания дуплексного канала можно использовать две витые пары, программно интерфейс управляется через методы XON/XOFF. Однако хорошие специализированные приложения могут обойти эту проблему путём создания предварительных запросов на передачу и ответов.

На приёмнике ток преобразуют в напряжение при помощи резистивного делителя. В зависимости от вольтажа могут применяться сопротивления от 125 до 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, например, для номинала 250 Ом это составит 250 х 0,02 = 5 В. Соответственно, приёмник можно откалибровать при необходимости на нужный уровень.

Где применяется токовая петля

  1. Контроль технологических процессов. На производстве токовая петля 4-20 мА является одним из главных аналоговых интерфейсов. Используется так называемый «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, и тогда модулируется её сигнал. Ни приёмник, ни передатчик не тратят свою собственную энергию.
  2. Во времена аналоговой телефонии токовая петля была излюбленным интерфейсом для подключения. И сегодня ещё можно найти бьющиеся током провода в наших квартирах. Здесь телефон питается от станции и модулирует её сигнал для вызова абонента. Как в случае с датчиком, описанным выше. Эти линии ещё остались в качестве наследия былых времён. Например, компания Система Белла применяет питание постоянным током до 125 В.
  3. Токовая петля иногда используется для передачи информации уровнем сигнала. Так например, 15 мА может означать «горим!», 6 мА – «все в порядке», 0 мА — обрыв линии. Любой местечковый производитель может установить свои правила и на здоровье пользоваться протоколом.
  4. В телефонии через токовую петлю может контролироваться базовая станция. Это называется «дистанционный контроль постоянным током». Так например, Motorola MSF-5000 используют постоянные токи для 4 мА для передачи сервисных сигналов. Вот пример такого 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.
Читайте также:  Коронный разряд

Интерфейс MIDI

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

Википедия на этот счёт 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. Позже файлы MIDI были введены в поддержку операционной системы Windows, позволяя авторам напрямую заниматься обработкой мелодий, насыщая их новыми спецэффектами, которых не было в оригинальных синтезаторах. Внедрение сэмплов различных инструментов позволяло одному 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 является инвертирование сигнала:

  1. Есть ток.
  2. Нет тока.

Именно благодаря этому, MIDI напрямую не совместим с обычной токовой петлёй. Физический интерфейс видели многие, но не знали, как это называется. Визуально розетка представляет собой диск диэлектрика с боковым вырезом, по периметру которого расположены 5 отверстий (DIN). Вся конструкция охвачена по кругу экраном. Музыканты насчитывают три вида этого интерфейса:

  1. MIDI-In.
  2. MIDI-Out.
  3. MIDI-Thru.

Порт MIDI иногда имеется 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 в себя оптрон, диод, несколько логических элементов.

Порт MIDI программируется через UART, то есть последовательный COM-порт. Кроме того, в продаже можно найти звуковые карты с MIDI или даже отдельные платы расширения на свободные слоты.

Протокол HART

Это развитие протокола Fieldbus, широко применяемое в промышленности. Подосновой является токовая петля 4-20 мА, а значит, может использовать витые пары, оставшиеся от морально устаревших протоколов. Поначалу стандарт являлся укзоспециализированным связным интерфейсом, но затем в 1986 году вышел на всеобщее обозрение. Передача по HART идёт полными пакетами, имеющими следующий 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, поскольку нуждается в расшифровке для правильного исполнения команды.