Материал: 2015 [Тынчеров] Основы автоматизации ТПНП

Таблица 8.1 — Таблицы истинности логических операций

Операции над логическими переменными выполняются по определенным правилам. Прежде всего, необходимо учитывать

принцип двойственности (теорема де Моргана), который в общем виде записывается так:

Для преобразования формул алгебры логики с целью их минимизации, как и в обычной алгебре, используются скобки, а если их нет, то сначала выполняется отрицание (инверсия) над отдельными переменными, затем логическое умножение (конъюнкция) и, наконец, логическое сложение (дизъюнкция). Если черта (знак инверсии) стоит над совокупностью букв и знаков, то она выполняется в последнюю очередь. Используются также теоремы алгебры логики.

Логические переменные могут иметь только два дискретных значения, поэтому они реализуются с помощью схем, которые могут находиться в двух легко различимых состояниях.

Такими схемами являются электрические переключающие схемы, выполняемые на основе транзисторных ключей.

Для представления логических переменных в цифровых элементах используется электрическое напряжение, имеющее два различных уровня: высокий, близкий по уровню к напряжению питания (транзистор закрыт), и низкий, близкий к потенциалу корпуса (транзистор открыт).

Этим уровням можно поставить в соответствие состояния логических «1» и «0». Если высокий уровень напряжения соответствует логической «1», а низкий — логическому «0», логика называется позитивной, а если наоборот (высокий — «0», низкий — «1») — негативной логикой.

Для реализации трех основных операций алгебры логики в схемах цифровых устройств используются основные логические элемен- ты, входные переменные которых часто обозначают через х а выходные — через у:

1) элемент И (&) — схема логического умножения, конъюнк-

тор;

2) элемент ИЛИ (1) — схема логического сложения, дизъюнк-

тор;

3) элемент НЕ (¬) — схема логического отрицания, инвертор. Этот набор элементов называют основным базисом или основ-

ной функционально полной системой элементов.

Помимо этих элементов часто применяются логические схемы, выполняющие операции И—НЕ и ИЛИ—НЕ, каждая из них является функционально полной.

Таблица 8.2 — Название логических элементов и описание их функций

Информация, поступающая в цифровое устройство, представляет дискретный (т. е. состоящий из нулей и единиц) сигнал (код). На передачу сигнала отводится конечный отрезок времени, называемый тактом работы устройства. Если за один такт в устройство передается один из разрядов двоичного числа, то устройство работает с последовательным кодом, если же за один такт передается все двоичное число одновременно, то устройство работает с параллельным кодом.

Вобщем случае на вход цифрового устройства поступает мно-

жество двоичных переменных X (х1, х2, ..., хn), а с выхода снимается множество двоичных переменных Y (у1, у2, ..., уn). При этом устройство реализует определенную связь (логическую функцию) между входными и выходными переменными.

Взависимости от вида этой связи цифровые устройства делят

на:

комбинационные,

последовательностные.

Вкомбинационных устройствах значения Y в течение каждого такта определяются значениями X только в этот же такт. Такие устройства состоят только из логических элементов.

Впоследовательностных устройствах значения Y определяются значениями X как в течение рассматриваемого такта, так и существовавшими в ряде предыдущих тактов. Поэтому в комбинационных устройствах при пассивных уровнях входных сигналов выходные возвращаются в исходное состояние, а в последовательностных хранят предыдущее состояние. Для этого в последовательностных устройствах кроме логических должны быть еще и запоминающие элементы. Подобно входным и выходным переменным, переменные, сохраняемые в памяти устройства, тоже двоичные и зависят от значений входных переменных в предыдущих тактах.

8.2. Интерфейсы передачи данных

Передача цифровой информации производится по различным сетям. Каждая из сетей имеет свои особенности, назначение и реализуется на определенном типе кабелей. Для подключения к сети все устройства должны иметь платы с соответствующим цифровым стандартом (интерфейс). Для каждого типа интерфейса и вида кабеля существуют ограничения по числу подключаемых устройств, длине кабеля и скорости передачи.

HART-протокол как способ передачи цифровой информации разработан фирмой Rosemount и занимает промежуточное положение между токовым и чисто цифровым сигналами. Он основан на методе передачи данных с помощью частотной модуляции. На выходной токовый сигнал 4...20 мА измерительных преобразователей накладываются импульсы переменного тока, причем сигнал с частотой 1200 Гц соответствует логической единице, а 2200 Гц — логическому нулю

(рис. 8.3).

Рис. 8.3 — Передача информации по HART-протоколу

Основное достоинство HART-протокола — возможность одновременного использования аналогового токового и цифрового сигналов в одной паре проводов, что позволяет подключать к одной линии полевые устройства с различным выходом.

Интерфейс RS-232 является наиболее простым среди RS-интер- фейсов (RS означает «рекомендуемый стандарт»). Это стандарт последовательной синхронной и асинхронной передачи двоичных данных между терминалом и конечным устройством. В нем источник и приемник сигналов имеют заземленную точку. Информация передается в инверсном коде двухполярными потенциальными сигналами, логической единице соответствует -12 В, а логическому нулю —

+12 В.

В отсутствие передачи данных линия находится в состоянии логической единицы (-12 В). Поток данных передается по одному проводу бит за битом, т. е. передающая сторона по очереди выдает в линию 0 и 1, а принимающая отслеживает их и запоминает. Данные передаются пакетами по одному байту (8 бит). Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами. Стартовый бит всегда передается

уровнем логического нуля, а стоповый — единицей. Может также присутствовать бит паритета. Его состояние определяется настройками: он может дополнять число единичных битов данных до нечетности, четности. Эта передаваемая последовательность называется фреймом. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуплексный режим). Скорость передачи данных стандартом не нормируется и может составлять от 110 до 19200 бит в секунду.

Недостатком этого стандарта является низкая помехозащищенность, что ограничивает длину линии связи до 15 м. Линия связи соединяет источник сигнала с одним приемником. Последней модификацией данного стандарта является модификация Е, принятая в

1991 г. Как стандарт EIA/TIA-232E.

Интерфейс RS-485, получивший широкое распространение, обеспечивает передачу информации на расстояние от 120 до 1200 м, при скорости передачи от 100 до 104 бит в секунду (минимальное расстояние соответствует максимальной скорости передачи). В качестве линий связи применяется витая экранированная пара с подключением до 32 устройств со стандартным входным сопротивлением.

Возможно использование оптического кабеля. В основе интерфейса Л5-485 лежит принцип дифференциальной передачи данных

(рис. 8.4, б).

Суть его заключается в передаче одного сигнала (импульсы напряжения ±1,5 В) по двум проводам, причем по одному проводу (условно А) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно В) — его инверсная копия [43].

Рис. 8.4 — Передача информации по интерфейсам:

а — RS-232; б — RS-485