Шина для подключения 128 устройств

Разделение и арбитраж двунаправленной последовательной шины

Введение в двунаправленные шины

Двунаправленные шины, такие, например, как I 2 C, SMBus и LIN, получили повсеместное распространение в современной электронике, отчасти благодаря их простоте. С помощью всего двух проводов – для передачи сигналов данных и синхронизации – они позволяют общаться друг с другом множеству устройств. Согласно спецификации шины I 2 C, к каждой линии данных и синхронизации допускается подключение до 128 устройств, что обеспечивается внешними подтягивающими резисторами и драйверами с открытыми стоками в каждом устройстве. Если не одно из устройств не передает «0», подтягивающий резистор удерживает шину в состоянии «1». Однако любое устройство может опустить шину в «0».

Ведущие устройства (задатчики) могут управлять шиной в любой момент, а ведомые должны ответить на запросы ведущего в течение определенного периода времени после приема запроса. В конфигурации с несколькими ведущими каждое устройство, выступающее задатчиком, само должно выполнять арбитраж шины. Задатчик, желающий получить контроль над шиной, должен проверить ее, выставив на шину «0». Это информирует остальных ведущих о том, что шина будет занята.

Зачем разделять двунаправленную шину?

Спецификация шины I 2 C [1] содержит пример эталонной схемы, позволяющей разделять ее на входную и выходную пары. Такая конфигурация может потребоваться по нескольким причинам. Прежде всего, разделение шины используется для оптической изоляции ведущего устройства от ведомых при повышенных требованиях к безопасности, в случае зашумленности линий передачи или при невозможности обеспечить надежное заземление (Рисунок 1). Кроме того, сигналы разделенной шины можно усиливать (Рисунок 2), а, заменив усилитель схемой преобразователя интерфейсов, можно сменить среду передачи информации. Это позволяет увеличить рабочую длину шины и улучшить ее характеристики за счет снижения емкости. По мере снижения емкости линий доминирующее влияние на постоянную времени шины начинают оказывать подтягивающие резисторы.

Рисунок 1.	Изоляция двунаправленной шины.

Для разработчиков контроллеров двунаправленных шин разделение шины может использоваться в целях отладки. Обычно отладка двунаправленных протоколов представляет собой непростую задачу, поскольку вполне вероятна ситуация, при которой работающий неправильно контроллер выставляет на шине «0» в то же время, когда другой контроллер пытается установить контроль над шиной. Это сделает идентификацию передающего устройства на шине невозможной без информации о внутренних состояниях контроллеров всех устройств. Однако контроль линий /gateB1 и /gateA2 (Рисунок 2) позволяет идентифицировать оба передающих устройства и выявлять любые одновременные обращения с использованием лишь стандартного лабораторного оборудования и обычных технологий отладки.

Рисунок 2.	Повторитель двунаправленной шины.

Наконец, возможно использование технологии разделения шины для подключения устройства, поддерживающего интерфейс I 2 C, к другому устройству, не имеющему контроллера I 2 C. В этом случае разделенная шина может быть подключена к портам вывода/вывода общего назначения другого устройства (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Разделенная шина, подключенная к порту ввода/вывода общего назначения.

Опубликовано немало схем, позволяющих разделять двунаправленные шины. К сожалению, примеры решений, демонстрирующих разделение шин, требуют разработки специальных схем для каждого приложения (как следует из публикаций) или внешней управляющей логики (как показано в описании стандарта I 2 C), использующей проходные логические вентили для того, чтобы в процессе обмена не образовывались замкнутые контуры, приводящие к «защелкиванию». Условия для защелкивания, очевидным образом, существуют в схеме на Рисунке 2, где узел IOA, выставив на шине «0», через /gateB1 открывает транзистор Q1, в результате чего потенциал узла IOB опускается в «0», что, в свою очередь, открывает Q2 высоким уровнем на /gateA2, опуская вниз потенциал IOA.

Рисунок 4.	Схема двухстороннего арбитража.

Представленный в этой статье двухсторонний арбитр может разделять шину на передающую и приемную пары, и сконструирован универсальным, что позволяет использовать его в любых приложениях с разделенной шиной. Кроме того, он не требует внешней управляющей логики – управление осуществляется исключительно на основании состояния шины данных (Рисунок 4).

Двухсторонний арбитраж

Рисунок 5.	Двухсторонний арбитраж двунаправленной шины.

Изображенный на Рисунке 5 арбитр, образованный двумя перекрестными схемами разрешения из Рисунка 4, будет работать всегда, так как двунаправленные шины, по определению, поддерживают только полудуплексный обмен. В неактивном режиме линии данных подтягиваются к шине питания резисторами R1 и R2, вследствие чего выходы OUT1 и OUT2 находятся в состоянии «0». В этих условиях оба N-канальных MOSFET выключены. Когда микросхема IC1 выставляет на линии данных «0», на выходе OUT1 устанавливается уровень «1», открывающий транзистор Q2 и опускающий вниз потенциал шины данных микросхемы IC2. Одновременно сигнал OUT1 поступает на вход вентиля «ИЛИ-НЕ» U2, разрывая петлю обратной связи между OUT2 и Q1. Этот разрыв исключает возможность защелкивания, делая ненужной какую-либо другую управляющую логику, поскольку схема, первой претендующая на линию данных, выигрывает гонку и блокирует остальную схему через вентиль «ИЛИ-НЕ».

Рисунок 6.	Двухсторонний арбитраж с усилением сигналов шины.

Универсальный характер схемы позволяет использовать ее для двухстороннего арбитража в любых приложениях с разделенной шиной. На Рисунке 6 приведен пример разделения шины в целях усиления сигналов. Эту схему легко расширить на случаи преобразования среды передачи и изоляции шины, заменив усилители, соответственно, преобразователями интерфейсов или оптоизоляторами. Для отладки шинных контроллеров можно отслеживать состояние линий между усилителями, что поможет идентифицировать неисправности контроллеров шины. На Рисунке 7 показано включение двухстороннего арбитра между шиной I 2 C и портом ввода/вывода общего назначения.

Рисунок 7.	Подключение линии интерфейса I 2 C к порту ввода/вывода.

Заключение

Есть ряд причин, по которым возникает необходимость разделения двунаправленной шины на приемные и передающие пары. От увеличения пропускной способности и длины линии передачи до возможности отладки – многие разработчики оценят эти преимущества разделения шины и сочтут их полезным в тот или иной момент своей деятельности.

Двухсторонний арбитраж – это метод арбитража, применимый к большинству приложений с разделенной шиной. Опираясь на специфику обмена по двунаправленной шине, он не требует внешних компонентов и достаточно универсален, чтобы, не внося ненужных усложнений, использоваться во многих приложениях.

Ссылки

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Гребенчатая шина для подключения групповых автоматов

В старых квартирных электрощитах групповые автоматы объединялись с помощью перемычек. Способ дешевый, доступный, но не отличающийся надежностью. Сегодня для подобных целей применяется соединительная шина. За счет этого упрощается электромонтаж и проводка выглядит аккуратней.

Разновидности гребенок

Не существует универсальной соединительной шины, подходящей под любые автоматические выключатели. Автоматы обладают отличающимися габаритами, количеством выводов и прочими характеристиками. Поэтому и гребенки бывают самыми разнообразными.

По форме контактов выделяются 2 вида гребенчатых шин:

Гребенки отличаются по длине, то есть по количеству автоматов, которые к ним возможно подключить. При необходимости слишком длинную шину допустимо укоротить ножовкой. Но предпочтительней использовать изделия на стандартное количество автоматов:

Есть отличия и в количестве подключаемых фаз. С этой точки зрения соединительные шины бывают следующих типов:

Важно! Если пришлось пилить одну большую шину на несколько маленьких, то необходимо обратить внимание на полученный спил. Отдельные проводники не должны быть гнутыми или замыкаться между собой. После резки нужно удалить из гребенки медную пыль.

Конструкция

Гребенки обладают сборной конструкцией. В основе строения плоская медная шина. На ней имеются отводы для установки на автоматы. В зависимости от количества подключаемых фаз, в одной гребенке бывает 1 или 4 шины. Они изолируются негорючим пластиком. Обычно белого или серого цвета.

Конструкция выполнена так, что в собранном виде практически отсутствуют открытые токопроводящие части. Это повышает безопасность обслуживающего персонала. А распределительная коробка становится менее восприимчивой к пыли.

Форма выводов

Наиболее распространены гребенчатые шины со штыревыми отводами (гребенки типа pin). Англоязычное название — pin. Они подходят к большинству современных автоматических выключателей. Выводы у таких шин сложнее погнуть при транспортировке. Поэтому во время монтажа возникает меньше проблем с установкой в отверстия автоматических выключателей.

Второй вид отводов — вилкообразный (тип fork). Используются сравнительно реже. Подходят не ко всем образцам современного оборудования. Соединительные шины с вилкообразными выводами не рекомендуется использовать для мощных нагрузок. Обычно их ставят в щиток с максимальным током до 63 А.

Гребенка двухполюсная вилкообразная к содержанию ↑

Плюсы и минусы соединительных шин

Гребенчатые соединители вытесняют из практики электромонтеров классические перемычки из проводов. Это объясняется достоинствами, которыми они обладают в сравнении с устаревшими методами монтажа:

Существуют и недостатки:

Дополнительная информация. Гребенка требует периодического осмотра и технического обслуживания. Важно обращать внимание на температуру и цвет соединителя и при необходимости производить подтяжку винтов автоматических выключателей.

Подключение автоматов через гребенку

При использовании гребенчатой шины автоматические выключатели подключаются по схеме параллельного соединения. Если гребенка рассчитана на 1 полюс, то к каждому автомату подходит 1 фаза. Такой соединитель принято называть фазным. Его располагают в верхней части линейки выключателей. На гребенку приходит 1 общий приходящий провод. Она размножает его по отдельным групповым автоматам.

Если шина двухфазная, то на автоматы приходит фаза и ноль. В таком случае необходимы двухполюсные устройства защиты.

Правила монтажа

При установке соединителей необходимо руководствоваться правилами по электромонтажу, касающимися подобных устройств. За счет этого повышается безопасность и надежность электрооборудования. Основные принципы монтажа таковы:

Подключение однофазных устройств

Однофазное включение наиболее простое. Оно используется для автоматов на один полюс. Порядок действия следующий:

Подключение УЗО и дифференциальных автоматов

Для подключения однофазных УЗО и дифференциальных автоматов потребуется двухрядная гребенчатая шина. Ее необходимо установить в верхней части защитных устройств. Одна шина считается фазной. Ее штыри следует подключать к L выводам УЗО. Вторая шина нулевая. Подключается к N выводам.

В собранном виде в линейке будет чередоваться фаза и ноль. А расстояние между отдельными штырями одной шины составит удвоенную ширину обычного автоматического выключателя, то есть 35 мм.

Подключение трехфазных автоматов и УЗО

С трехфазными устройствами защиты понадобится гребенчатая шина на 3 или 4 полюса. Четырехполюсная гребенка необходима, когда помимо 3 фаз используется и нулевой провод.

Сборка цепи выполняется аналогично предыдущему способу. Шина располагается сверху УЗО или диф автоматов. Гребенка, к которой подключается провод L1, должна подать напряжение на все выводы L1 защитных устройств. Для L2, L3 и N — так же. При этом L1, L2, L3 и N не должны замыкаться между собой. После монтажа необходимо отключить все автоматы и убедиться, что подобное замыкание отсутствует.

Типичные ошибки при монтаже

Подключение гребенчатой шины не является сложной операцией. Достаточно базового понимания того, как и куда должен протекать электрический ток. Однако даже опытные электромонтажники периодически допускают ошибки подключения гребенки:

Производители гребенок

В продаже представлено множество гребенчатых шин от разных заводов изготовителей. Как правило, выпуском этих изделий занимаются те же компании, что производят автоматические выключатели. Из наиболее известных брендов выделяются следующие:

Дополнительная информация. Гребенчатая шина проста в изготовление. Поэтому ее подделки производят все кому не лень. В оригинальной шине должна быть прочная межфазная изоляция и качественная гибкая медь. Не стоит экономить на этих изделиях.

Гребенчатые соединители заметно упрощают электромонтаж. Вместе с тем сокращается и обще время сборки щита. Однако за такое удовольствие нужно платить. Здесь каждый решает сам, нужно оно ему или нет.

Если выбор сделан в пользу гребенок, то необходимо задуматься об их технических характеристиках. Гребенка должна соответствовать суммарной мощности всех потребителей, которые через нее будут питаться. Не менее важно разобраться и с конструктивными особенностями. Ведь есть модели на 1, 2, 3 и 4 полюса, и каждая уместна в своей ситуации.

Источник