Урок 50. Помехоустойчивость и физическая среда стандартного интерфейса UART.

Радиальная топология

В уроке затрону общие вопросы помехозащищенности распределенных систем. Подробно расскажу о помехоустойчивости и физической среде интерфейса UART.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

В предыдущих уроках мы обменивались данными между платами Ардуино через стандартный интерфейс UART. Аппаратная реализация связи не требовала ни одного дополнительного компонента. Просто соединили платы 3 проводами.

 

Но о допустимой длине проводов связи UART я сознательно умолчал. Об этом поговорим сейчас.

 

Физическая среда локальной сети.

Когда мы говорим о локальной сети, то подразумеваем объединение в сеть как минимум плат, чаще модулей или отдельных, конструктивно законченных устройств. Эти компоненты сети (абоненты) физически могут быть расположены на разном, часто значительном,  расстоянии друг от друга, соединены различными линиями связи.

Данные между абонентами передаются через физическую среду локальной сети. Именно физическая среда во многом определяет пользовательские свойства сети. Если первый вопрос, который мы задаем по поводу того или иного сетевого интерфейса, - какую скорость он обеспечивает. То вторая серия вопросов  обычно:

  • какое максимальное расстояние между абонентами;
  • каким кабелем подключаются устройства;
  • насколько система подвержена воздействию помех;
  • есть ли гальваническая развязка и т.п.

Все эти вопросы касаются физической среды передачи данных. У каждого типа интерфейса свои требования к физической среде. Эти требования могут меняться для одного и того же интерфейса в зависимости от скорости передачи данных.

Далее я для каждого типа интерфейса приведу таблицу с параметрами. И вы увидите, что практически все параметры либо прямо описывают физическую среду, либо определяют требования к ней.

 

Общие вопросы помехозащищенности сигналов передачи данных.

Электромагнитная совместимость радиоэлектронных устройств очень сложная тема. Ей надо посвящать отдельный сайт. Книжки по этому вопросу изобилуют законами ТОЭ (теоретические основы электротехники), формулами, схемами, диаграммами. Но на практике это все имеет мало значения, потому что приходится бороться с явлением, которое невозможно измерить, оценить. Конечно, уровень электромагнитных помех измеряют, но для этого требуется очень сложное дорогое оборудование. Измерения происходят в конкретных условиях. Затем устройство работает в совершенно других условиях, с другим уровнем помех и с другим конечным результатом.

Мне кажется, вполне достаточно понимания того, каким образом электромагнитные помехи влияют на электронные устройства, и как с этим бороться. Я постараюсь рассказывать ближе к практике и именно так, как я это вижу. Я не претендую на полноту освещения этого вопроса.

Я бы выделил следующие факторы, которые мешают правильно передавать данные по линии связи:

  • искажения сигнала в линии передачи данных, связанные с паразитными параметрами линии: активным сопротивлением, индуктивностью, емкостью;
  • взаимное влияние линий разных сигналов, связанное с взаимной индуктивностью и емкостью;
  • помехи, наводки от внешних или внутренних электромагнитных полей;
  • земляные токи, которые возникают в общем проводе гальванически не развязанных устройств из-за токов заземления или утечек блоков питания.

На ошибки передачи данных влияет то, как мы их передаем по линиям связи и то, как мы их принимаем. Т.е. именно параметры интерфейса определяют, насколько допустимо искажение сигналов при передаче, а физическая среда должна обеспечить эти требования. Поэтому я перечислю параметры сетевых интерфейсов, которые определяют помехозащищенность системы. Это:

  • Уровень входных сигналов. Один из самых главных параметров, определяющих помехозащищенность. Чем больше амплитуда сигнала в линии связи, тем менее на его фоне заметны помехи, тем проще их отделить.
  • Быстродействие приемников. Быстродействующие входы реагируют на короткие помехи, что значительно уменьшает помехоустойчивость. Это свойство вступает в противоречие с требованиями по скорости передачи данных. При высокой скорости без быстродействующих приемников не обойтись. Но и при скорости 9600 не стоит ставить ультрабыстрые оптроны, которые будут ловить все помехи.
  • Входное сопротивление приемников сигналов. Чем оно меньше, тем больший ток необходимо навести помехе для срабатывания, тем выше помехозащищенность входа.  Но низкое входное сопротивление приемников требует от передатчиков больших выходных токов. Также входное сопротивление влияет на искажение сигналов в длинных линиях. Но об этом разговор позже.
  • Выходное сопротивление передатчиков. Кроме замечания из предыдущего пункта, этот параметр также влияет на искажение сигнала в линии. Иногда его сознательно повышают.
  • Применение дифференциальных сигналов значительно повышает помехоустойчивость сети. Об этом позже, когда будем использовать интерфейсы с таким способом передачи данных.
  • Гальваническая развязка устройств и отдельно сигналов друг от друга – один из лучших и универсальных способов повышения помехозащищенности.

В качестве физической среды, т.е. линий связи в ближайших уроках мы будем рассматривать:

  • простой кабель, провода, соединяющие сигналы плат ;
  • экранированный кабель;
  • витую пару;
  • экранированную витую пару.

Для соединения плат Ардуино этих вариантов вполне достаточно.

 

Помехозащищенность и физическая среда стандартного интерфейса UART.

Нет интерфейса менее помехозащищенного, чем стандартный порт UART. В качестве физической среды в нем обычно используются простые провода.

Я попробовал изобразить схему соединения 2 UART устройств с помощью отдельных проводов, и показать каким образом помехи влияют на сигналы интерфейса.

Помехи и наводки интерфейса UART

Для передачи данных в UART используются две сигнальные линии и общий провод. На рисунке показаны 3 вида помех и наводок:

  • Наводки и помехи на сигнальные линии от внешних электромагнитных полей. Вызывают токи в линиях связи, которые приводят к появлению импульсов напряжения на входах приемников. В результате происходят ложные срабатывания приемников, а значит искажение принятых данных. Источниками электромагнитных помех могут служить самые разные устройства: провода с большими токами переменного напряжения, мощные источники питания и тиристорные выпрямители, радиопередатчики, электродвигатели, элементы коммутации электрического тока и т.п.
  • Взаимные помехи между линиями связи. Линии связи обладают взаимной индуктивностью и емкостью, а значит, могут наводить помехи на соседние линии.
  • Помехи в общем проводе. Общий провод входит в электрический контур передачи сигналов для обеих линий связи. Поэтому, все броски тока в общем проводе вызывают импульсы напряжения на входах приемников. Скорее всего, это самое узкое место в помехоустойчивости интерфейса UART.

Я бы выделил две причины появления паразитных токов в общем проводе:

  • В случае если оба устройства подключены к своим землям, то возникает не контролируемый земляной контур. По сути, линия заземления подключена параллельно общему проводу между устройствами. В этом же контуре заземления, как правило, присутствуют токи, вызванные другими мощными потребителями электроэнергии. В земле всегда есть токи. В результате между выводами GND разных абонентов сети прикладывается напряжение между заземлителями, которое не может скомпенсировать общий провод. И все это напряжение смещает уровень сигналов на входах приемников. Поэтому интерфейс UART практически никогда не применяется для связи устройств с разными заземлениями.
  • Другой случай это не заземленные устройства UART (или только одно заземленное устройство), но с питанием от разных сетевых блоков питания. Сетевые блоки питания подключены входами к общей сети, а их выходы получаются соединенными через общий провод. В результате через общий провод абонентов сети текут всевозможные токи утечек, токи через сетевые фильтры блоков питания, высокочастотные импульсные токи коммутации и т.п. Конечно, эти токи зависят от параметров блоков питания. Но, например, токи сетевых фильтров радиопомех вполне допускаются даже в качественных блоках питания.

Все вышесказанное справедливо для достаточно длинных линий связи, обладающих значительной паразитной индуктивностью.

Можно сделать вывод, что в топологии физической среде передачи данных интерфейса UART не сделано ничего для повышения помехоустойчивости.

Также плохо дела обстоят и с параметрами входов и выходов интерфейса UART:

  • уровень сигналов 0 – 5 В, порог срабатывания примерно 2,5 В;
  • высокое входное сопротивление приемной части.

В результате я бы рекомендовал использовать интерфейс UART:

  • Только с гальванически связанными платами с общей землей и желательно с общим питанием.
  • Расстояние между устройствами зависит от уровня помех, но я не рискнул бы размещать их друг от друга дальше, чем 2 м.
  • Использование витых пар особого эффекта не дает из-за общего провода сигналов. Хотя это позволяет несколько увеличить расстояние линий связи.
  • Экранированные провода значительно снижают уровень электрических помех, но не защищают от магнитной составляющей.
  • Несколько повышают помехоустойчивость интерфейса UART резисторы, подключенные между входами приемников и питанием 5 В. Происходит это за счет уменьшения входного сопротивления приемников. Но все это полумеры.
  • В согласовании линий связи UART обычно необходимости нет. Линии не могут быть длинными по другим, вышеперечисленным причинам.

Общие свойства и параметры интерфейса UART я свел в таблицу.

Параметр Значение
Топология Радиальный интерфейс
Линия связи 2 сигнала с общим проводом
Гальваническая развязка нет
Режим обмена данными Асинхронный, полный дуплекс
Уровень сигналов CMOS, 0 – 5 В
Стандартное применение Обмен данными между гальванически связанными устройствами с общим питанием.

 

В следующих уроках поговорим о других радиальных интерфейсах, позволяющих значительно увеличить расстояние между абонентами локальной сети.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

2 комментария на «Урок 50. Помехоустойчивость и физическая среда стандартного интерфейса UART.»

  1. По теории есть целые учебники с высшей математикой и теорией поля, а на практике ограниченный набор стандартных решений.Гасящие резисторы, стабилитроны, на низких частотах -варисторы, разрядники , оптроны, восстанавливающиеся и невосстанавливающиеся предохранители.Но даже с использованием всех мер защиты, при близком ударе молнии,микросхемы устройства может разнести на куски.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *