Устройство сокращения количества коммутационных линий в управлении режимом интерфейса RS-485 Российский патент 2023 года по МПК H04L49/111 H04L12/28 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной преобразовательной технике, а именно к средствам уменьшения соединительных линий, проводов и оптимизации топологии печатных плат, и может использоваться в различных областях производственной деятельности.

Известны устройства, применяемые для уменьшения соединительных, коммутационных линий и проводов с целью оптимизации топологии печатных плат. Эти устройства содержат схемы формирования, кодировки и преобразования с использованием микроконтроллеров, микропроцессоров.

Однако, известные устройства обладают следующими недостатками. Они реализованы в виде специальных микросхем, печатных плат, и т.п.изделий электроники. Они имеют определенные габаритные размеры, велика вероятность их физического износа и поломок.

Основная задача при конструировании схемы - уменьшить количество внутренних линий и при этом полностью сохранить все функции схемы.

Из известных аналогичных решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство (прототип), реализованный для «Ардуино» по схеме связи RS-485 [1]. На фигуре 1 представлена схема прототипа. В описании [1], как недостаток, отмечено, что используется дополнительный цифровой вывод «Ардуино» для управления конвертирующим модулем.

Схема прототипа содержит два блока «Ардуино-1» и «Ардуино-2», которые связаны между собой по интерфейсу RS-485. Микросхемы преобразования интерфейса U1,2 связаны с контроллерами «Ардуино» тремя линиями. Всегда в интерфейсе RS-485 задано, что один контроллер «Ардуино» главный, а второй - подчиненный. Главный контроллер начинает передачу данных и затем переходит в прием для получения ответных данных от подчиненного. Подчиненный контроллер ждет приема данных и затем отвечает. Необходимо отметить, что и отечественные и зарубежные микросхемы формирования сигналов RS-485 совпадают по логике управления и выводам [8].

Возможны системы связи, когда функции главного и подчиненного контроллеров меняются между собой [5]. Но обязательно существует интервал времени на переключение с приема на передачу. В этот интервал линия RE/DE меняет свое значение. Если линия RE/DE получает уровень =1=, то идет прием по направлению от выводов А-В на вывод RO. При установке уровня =0= на выводе линии RE/DE сигнал с вывода DI передается на выводы А-В [4].

Но, если ограничено количество выводов микроконтроллера, то можно «объединить» управляющую и информационную линии и каким-то способом сохранить возможность полной передачи данных, но чем-то «пожертвовать» для этого.

Предлагаемая схема с меньшим количеством коммутационных линий представлена на фигуре 2. Подробное описание функционирования всей системы связи с «объединением» информационной и переключающей линии приведено в [2].

Микросхема интерфейса связи U1(sr485) [7,8] подключена к микроконтроллеру (МК) U2 (PIC12F675) только двумя линиями: R0 - передает данные в МК, RE/DE - принимает данные от МК при установке в уровень =0=, при этом может передаваться в RS-485 только уровень =0=, поскольку линия данных DI замкнута на GND.

Получаем возможность передавать данные только ограниченным количеством (ансамблем) байт: 0xFF, 0xFE, 0xFC, 0xF8, 0xF0, 0xE0, 0xC0, 0x80, 0x00, которые представлены на фигуре 3. Итого, доступно 9 байт для передачи. Формируем кодирование байта доступным ансамблем и получаем, что вместо одного байта надо передавать три, что и является «жертвой» уменьшения количества линий в предлагаемой схеме.

Порядок кодирования и декодирования одного байта в три определен доступным количеством кодов на передачу. Программное обеспечение приведено в [3]. Передаваемый байт в 8 бит разбивается на 3+3+2 бита (В1+В2+В3). Для трех бит требуется всего 8 вариантов, которые и передаем байтом из ансамбля доступных байт, как показано в фигуре 4.

Для В3 имеем два бита и передаем с третьим битом нуля, но при декодировании этот бит не учитываем.

Например, исходный байт 0хС1=110-000-01 передаем 0xFC, 0x00, 0x80. На приеме три байта в обратном порядке «складываются» в один байт.

Проверка передаваемой информации на достоверность может выполняться по алгоритму верхнего уровня с использованием стандартов контрольных сумм или циклических кодов.

Кроме того, остался еще один не использованный байт 0xFF, который можно передавать как контрольную сумму ранее переданных трех байт. Также возможно использовать В3 с сигналом единицы для проверки достоверности передачи.

«Объединение» информационной и переключающей линий позволило сократить коммутационные связи и использовать микроконтроллер (МК) с минимальным количеством выводов, сформировать кварцевую стабилизацию в МК и, тем самым, получить высокую точность измерения, малое потребление энергии и малые размеры системы телеметрии.

Эксплуатация предлагаемой схемы с меньшим количеством линий коммутации показала свою работоспособность и полезность в системе телеметрии силосов элеваторов и других объектов агропромышленного комплекса.

Источники информации

1. Схема связи по RS-485 с проводам приема, передачи данных и переключением направлений передачи-приема https://lesson.iarduino.ru/page/urok-26-2-soedinyaem-dve-arduino-po-standartu-rs485

2. Журнал «Современная электроника» 2022 г. №8 стр. 50-53. «Термометрия элеватора по системе «Power over Ethernet» https://www.soel.ru/magazines/PRINT/SoEl_2022-8pr/50/index.html#zoom=z

3. Программа для работы с «объединением» информационной и переключающей линии http://90.189.213.191:4422/doc_sh/bagan_2022/test/

4. Модуль RS-485 для Arduino UNO https://iarduino.kz/blog/modul-rs485-for-arduino-uno.hml

5. Компоненты интерфейса RS-485 https://controlengrussia.com/wp-content/uploads/19860.pdf

6. RS-485, теория и практика. https://www.sigma-is.ru/files/article/art_om_fiz.pdf

7. Описание приемо-передатчиков RS-485 https://static.chipdip.ru/lib/327/DOC004327661.pdf

8. Микросхема К5559ИН10А(Б) для интерфейса RS-485 https://ic.milandr.ru/products/interfevsnye_mikroskhemy/k5559in10bu_so_8/

Изобретение относится к измерительной преобразовательной технике, а именно к средствам уменьшения коммутационных линий и оптимизации топологии печатных плат, а также может использоваться в различных областях производственной деятельности. Техническим результатом заявленного устройства является возможность использования микроконтроллеров с минимальным количеством выводов и тем самым получить требуемую точность измерения, малое потребление энергии и малые размеры системы телеметрии. Известны устройства для уменьшения соединительных линий и проводов с целью оптимизации топологии печатных плат. Эти устройства содержат схемы формирования, кодировки и преобразования с использованием микроконтроллеров, микропроцессоров. В предлагаемой схеме информационная линия передачи замкнута на ноль и временные интервалы формирует микроконтроллер по линии управления. Получаем возможность передавать данные только ограниченным количеством (ансамблем) байт: 0xFF, 0xFE, 0xFC, 0xF8, 0xF0, 0xE0, 0xC0, 0x80, 0x00. Итого, доступно 9 байт для передачи. Формируем кодирование байта доступным ансамблем и получаем, что вместо одного байта надо передавать три. На принимаемой стороне три переданных байта складываются в один исходный байт. 4 ил.

Устройство сокращения коммутационных линий в управлении режимом интерфейса RS-485, включающее микросхему коммутации, управляющий микроконтроллер, отличающееся тем, что линия сигнала передачи замкнута на ноль, и для линии коммутации направления приема-передачи в режиме передачи микроконтроллер формирует длительности передаваемых байт и передаваемый байт программой в микроконтроллере разделяется на три части и передается байтами из доступных комбинаций байт, которые возможны при установке постоянной передачи нуля, и на приемной стороне три переданных байта программой приемной стороны складываются в один исходно передаваемый байт.