منبع تغذیه سوئیچینگ

منبع تغذيه سوييچينگ منبع تغذيه اي است که قادر است هر نوع نوسانات برق شهر را Damp نمايد يعني از 160 ولت تا 240 ولت را بگيرد ولي در خروجي برق ثابتي تحويل دهد که اين امر پديده شگرفي است که سازمان پژوهشهاي علمي و صنعتي ايران با ايده از بعضي از دستگاههاي خارجي به اين نتيجه رسيده است که اين دستگاه مي تواند در تمام ارگانهاي آموزشي ، پزشکي ، نظامي و صنعتي مورد استفاده قرار گيرد.
كليه مدارات الكترونيكي نياز به منبع تغذيه دارند. براي مدارات با كاربرد كم قدرت از باطري يا سلولهاي خورشيدي استفاده مي شود. منبع تغذيه به عنوان منبع انرژي دهنده به مدار مورد استفاده قرار مي گيرد.

حدود 20 سال است كه سيستمهاي پر قدرت جاي خود را حتي در مصارف خانگي هم باز كرده اند و اين به دليل معرفي سيستمهاي جديد براي تغذيه مدارات قدرت است.

اين منابع تغذيه كاملاً خطي عمل مي نمايند. اين نوع منابع را منابع تغذيه سوئيچينگ مي نامند. اين اسم از نوع عملكرد اين سيستمها گرفته شده است. به اين منابع تغذيه اختصاراً SMPS نيز مي گويند. اين حروف بر گرفته شده از نام لاتين Switched Mode Power Supplies است.

راندمان SMPS بصورت نوعي بين 80% الي 90% است كه 30% تا 40% آنها در نواحي خطي كار مي كنند. خنك كننده هاي بزرگ كه منابع تغذيه رگوله قديمي از آنها استفاده مي كردند، درSMPSها ديگر به چشم نمي خورند و اين باعث شده كه از اين منابع تغذيه بتوان در توانهاي خيلي بالا نيز استفاده كرد.

در فركانسهاي بالاي كليدزني از يک ترانزيستور جهت كنترل سطح ولتاژ DC استفاده مي شود. با بالا رفتن فركانس ترانزيستور، ديگر خطي عمل نمي كند و نويز مخابراتي شديدي را با توان بالا توليد مي نمايد. به همين سبب در فركانس كليد زني بالا از المان كم مصرف Power MOSFET استفاده مي شود. اما با بالا رفتن قدرت، تلفات آن نيز زياد مي شود. المان جديدي به بازار آمده كه تمامي مزاياي دو قطعة فوق را در خود جمع آوري نموده است و ديگر معايب BJT و Power MOSFET را ندارد. اين قطعة جديد IGBT نام دارد. در طي سالهاي اخير به دليل ارزاني و مزاياي اين قطعه از IGBT استفادة زيادي شده است.

امروزه مداراتي كه طراحي مي شوند، در رنج فركانسي MHZ و قدرتهاي در حد MVA و با قيمت خيلي كمتر از انواع قديمي خود مي باشند.

فروشنده هاي اروپائي در سال 1990 ميلادي تا حد 2 ميليارد دلار از فروش اين SMPSها درآمد خالص كسب نمودند. 80% از SMPSهاي فروخته شده در اروپا طراحي شدند و توسط كارخانه هاي اروپائي ساخت آنها صورت پذيرفت. درآمد فوق العاده بالاي فروش اين SMPSها در سال 1990 باعث گرديدكه شاخة جديدي در مهندسي برق ايجاد شود، اين رشته مهندسي طراحي منابع تغذيه سوئيچينگ نام گرفت.

يک مهندس طراح منابع تغذيه سوئيچينگ بايستي كه در كليه شاخه هاي زير تجربه و مهارت کافي كسب كند و هميشه اطلاعات بروز شده در موارد زير داشته باشد:

1- طراحي مدارات سوئيچينگ الكترونيك قدرت.

2- طراحي قطعات مختلف الكترونيك قدرت.

3- فهم عميقي از نظريه هاي كنترلي و كاربرد آنها در SMPSها داشته باشد.

4- اصول طراحي را با در نظر گرفتن سازگاري ميدانهاي الكترومغناطيسي منابع تغذيه سوئيچينگ با محيط انجام دهد.

5- درك صحيح از دفع حرارت دروني (انتقال حرارت به محيط) و طراحي مدارات خنك كنندة مؤثر با راندمان زياد.

و …

دراين کتاب نيز سعي بر اين است كه طبق اصول نوين مهندسي طراحي منابع تغذيه سوئيچينگ كليه اطلاعات مورد نياز در اختيار خواننده قرار گيرد.

1.2. تعاريف عمومي در SMPSها

هر سيستم طراحي شده به طور طبيعي وابسته به منبع تغذية خود مي باشد. يعني اولين پارامتر در طراحي مدار نوع منبع تغذيه و مقادير وابسته به آن است. يكي از مباحث مهم در طراحي SMPS ها، سنگين وزن بودن و گراني آن است، كه كليه اينها در يك منبع تغذيه از نوع SMPS به صورت دستگاه ارزان قيمت، سبك و كوچك تعريف خواهد شد.

وقتي كه طراح سيستم شروع طراحي مي كند، اولين تعريفي را كه در نظر خود مجسم مي كند، مقدار ولتاژ و جـريان ماكزيمم در SMPS است. بنابراين نسبت ولتاژ و جريان تعيين كننده انتخاب قطعات مورد نياز براي طراحي است.

مقدار ولتاژ خروجي:

عموماً در بيشتر مدارات منطقي ولتاژ 5v مورد نياز مي باشد، اما در بعضي موارد نياز به 5v- هم مي باشد. در كامپيوترها براي ايجاد گشتاور در موتورهاي متنوع به كار رفته در درايوهاي مختلف مانند موتورهاي CPU FAN ,CD ROM, F.D.D , H.D.D و ... نياز به ولتاژهاي +12v ,-12v مي باشد. در مصارف كنترل صنعتي جهت اعمال فرمان تحريك قطع و وصل در شيرهاي برقي و رله هاي كنتاكتوري از طريق پورتهاي PLC ولتاژ اعمالي به سيستمهاي تحت كنترل داراي سطوح ولتاژي +24v ,-24v است. در اتومبيلهاي برقي، تركشن و HVDC به سطح ولتاژ بالاتري احتياج است.

مقدار جريان:

در هر خروجي مي بايست ماكزيمم جريان مصرفي در حالت پايداري مشخص شود. هر سيستم الكتريكي در روي بدنه خود پلاكي دارد كه در آن تمام مقادير نامي و مجاز مورد نياز دستگاه از طرف كارخانه سازنده باتوجه به مشخصات طراحي و تستهاي متعددي كه بر روي دستگاه انجام شده است، مشخص مي باشد. براي مثال در ديسك درايوها مقدار جريان راه اندازي و حالت پايداري مشخص مي باشد و طراح منبع تغذيه بايستي حد مجاز جريان خروجي را بالاتر از جريان راه اندازي و حالت پايداري تعيين نمايد. حتي در بعضي از مواقع سازنده دياگرامهايي را همراه با دستگاه قرار مي دهد كه كمك بيشتري به طراح مي كند.


ولتاژ ورودي:

ولتاژ ورودي مي تواند از نوع AC يا DC و با رنج تغييرات مشخصي باشد. طراح حتماً بايد به نوع ورودي و عملياتي كه مي بايد روي آن انجام دهد تا خروجي مطلوبي بدست آورد را همواره در نظر بگيرد. معمولاً فرکانس، دامنه و شکل موج ولتاژ ورودي در طراحي خيلي مهم است. همچنين نوع شبکه اي که تغذيه ورودي را بر عهده دارد مهم است. معمولاً در محيطهاي صنعتي مانند کارخانجاتي که شبکه در شرايط سخت جهت تامين انرژي قوص الکتريکي و … کار مي کند شکل موج ولتاژ و جريان ورودي غير قابل پيش بيني است و بايد با استفاده از سيستمهاي جبرانساز شکل موجهاي شبکه را تا حد قابل قبولي اصلاح کرد.

ايزولاسيون:

در بسياري از كاربردها ايزولاسيون الكتريكي بين ورودي ها و خروجي هاي مدارات احتياج مي باشد، وحتي در بسياري از موارد ايزولاسيون بين خروجي دستگاه با ورودي دستگاه ديگر نيز مورد نياز است و طراح ملزم به انديشيدن تدابيري خاص جهت برآورده سازي اين امر مي باشد.

ايزولاسيون الكتريكي اغلب توسط ترانسفورماتور در منابع تغذيه ايجاد مي شود كه استفاده از ترانسفورماتور باعث حجيم شدن منبع تغذيه مي شود. در مصارفي كه نياز به حجم كوچك مي باشد، مانند ماهواره ها، كامپيوترها، شارژرهاي باطري موبايل و تلفن و همچنين در منبع تغذيه مورد استفاده در پرينترها و دستگاه هاي كوچك كه اجبار در كوچك ساختن آنها مي باشد نظير دوربينهاي عكاسي ديجيتالي و دوربينهاي فيلم برداري و لوازم نظامي استراق سمع و جاسوسي و بمبها و موشكهاي دوربرد ناچاراً بايد از ايزولاسيون به وسيله ترانسفورماتور چشمپوشي كرد و به فكر چارة ديگري براي تحقق بخشيدن به اين امر بود يا اينكه توسط مدارات فيدبك عمل تثبيت خروجي را در صورت وجود تغيير يا اغتشاش در ورودي را انجام داد تا از مدارات در مقابل صدمه ديدن و معيوب شدن حفاظت شود و يا اينكه بايست از ايزولاسيون تا حدودي يا کلاً صرف نظر نمود.



ريپل در خروجي:

طبيعتاً مقداري نوسان در خروجي DC منابع تغذيه وجود دارد. به مقدار دامنه پيك تا پيك اين نوسانات ريپل مي گويند. هر خروجي كه داراي ريپل باشد، حتماً داراي تعدادي هارمونيك بغير از فرکانس صفر هرتز است. به همين خاطر اغلب مقدار خروجي را به جاي معرفي با مقدار DC آنرا با مقدارrms نشان مي دهند. هر چه مقدار نسبت ثابت ريپل به مقدار DC كوچكتر باشد بهتر است. اين نسبتِ در صديِ ريپل را مي توان با استفاده از فيلتر پايين گذر متشكل از سلف و خازن و يا افزايش فركانس ورودي و كليدزني با سرعت زياد تا حد قابل ملاحظه اي كاهش داد.

رگولاسيون:

ولتاژ خروجي در يك منبع تغذيه متأثر از عواملي مي باشد كه اين عوامل عبارتند از:

الف) تغييرات در ولتاژ ورودي.

ب ) تغييرات در جريان بار.

ج ) تغييرات در درجه حرارت محيط.

يك منبع تغذية رگوله معمولاً داراي مدارات فيدبك براي جبران اين تغييرات و اصلاح آنها و محدود كردن اين تغييرات در ناحية قابل قبولي مي باشد. اين فيدبك ها ممكن است عمل رگولاسيون را به صور (1)رگولاسيون خط، (2)رگولاسيون بار، (3)رگولاسيون حرارتي، انجام دهد.

پاسخ حالت گذرايي:

پاسخ به تغييرات ناگهاني و گذراي جريان بار يكي از پارامترهاي مهم در هر منبع تغذيه اي است. در حالت بار كامل در صورتي كه جريان بطور وصل شدن ناگهاني كليد در بار جاري شود، حتي در صورتي كه بار متصل به ترمينال خروجي جريان كمي را از منبع تغذيه دريافت كند، ولتاژ خروجي ناگهان مي افتد و از ولتاژ حالت بي باري كمتر مي شود و سپس توسط رگولاسيون به يك حد پايدار خواهد رسيد. از طرف ديگر در حالتي كه منبع تغذيه با بار كامل در حالت پايدار به سر مي برد اگر ناگهان بار توسط كليد قطع شود، آنگاه ناگهان ولتاژ خروجي صعود مي كند، و ازحالت قبلي خود فراتر مي رود و سپس با چندين نوسان به حالت پايدار بدون بار خواهد رسيد. در اين حالت ممكن است كه قطعاتي كه در بلوكهاي خروجي منبع تغذيه هستند اين سطح تغييرات را تحمل نكنند و از بين بروند. در بعضي از موارد دربعضي از سيستمها ممكن است كه خروجي به حالت پايدار نرسد و نوساني ياحتي ناپايدار شود. از آنجا كه در خروجي اغلب منابع تغذيه فيلتر هاي صافي براي كاهش ريپل ولتاژ و جريان مي باشند كه اين فيلترها داراي ظرفيتهاي خازني بزرگي هستند. با ناپايدار شدن ولتاژ امكان انفجار در خازن وجود دارد.

از سوي ديگر زمان بازيابي يا Recovery Time زمان لازم براي بازگشت به حالت پايدار طبيعي مي باشد، كه بايستي تاحد ممكن اين زمان كوچك باشد. پس بايد توسط روشهاي رگولاسيون خاص ولتاژ خروجي را محدود كرد و سعي نمود كه در كمترين زمان ممكن و با كمترين نوسان و Over Shoot به حد پايداري خود برسد. زمان پاسخ گذرايي در منابع تغذيه و بخصوص در منابع تغذيه سوئيچينگ با روشهاي مختلفي كه سازندگان SMPS از آن استفاده مي كنند نظيرحلقه هاي فيدبك و جبران ساز و قرار دادن فيلترهاي مخصوص در طبقات مختلف منبع تغذيه كه در قسمتهاي بعدي به آن اشاره مي شود، خيلي كوتاه خواهد شد.

راندمان:

يك منبع تغذيه بدون بازدهي مطلوب دو خاصيت زير را دارا مي باشد:

1- انرژي محدود: از اين قبيل منابع مي توان به باطري اشاره كرد كه با مصرف مستمر انرژي اوليه خود را رفته رفته از دست مي دهد و توان خروجي آن به سمت صفر ميل مي نمايد.

2- حجم زياد و نياز داشتن به هيت سينكها بزرگ: از اين منابع تغذيه مي توان منابع تغذيه با ترانسفورماتور را نام برد كه انرژي زيادي صرف خنك سازي و تلفات حرارتي آن مي شود.

حفاظت:

همة منابع تغذيه با روشهاي خاصي در برابر شرايط ناخواسته محافظت مي شوند كه حفاظت هاي مشترك بين كليه منابع تغذيه عبارتند از:

1- حفاظت در برابر اضافه ولتاژ: از مهمترين حفاظتها، محافظت بار و منبع تغذيه در مقابل اضافه ولتاژ است. ساده ترين نوع كنترل ولتاژ در چنين مواقعي خاموش شدن منبع تغذيه بصورت اتوماتيك است. اين مدل از كنترل كننده ها در زمانهاي ابتدائي حالت گذرا عمل مي كند. عموماً ممكن است از يك ميله تريستوري براي اين منظور استفاده شود. در زماني كه تريستور قابليت روشن شدن را دارد، درصورتي كه سنسور قرار داده شده در خروجي احساس كند كه ولتاژ از حد مجاز بالاتر رفته است بلافاصله آتش شده و ورودي و خروجي منبع تغذيه را با هم قطع مي كند. در روشهاي ديگر با اتصال كوتاه كردن خروجي، يك جريان اتصال كوتاه از مدار مي گذرد و محدود كننده هاي جريان در اين زمان عمل كرده و با استمرار يافتن اين عمل مي توان خروجي منبع تغذيه را تا حد مجاز قابل قبولي كاهش داد و در برابر اضافه ولتاژ از سيستمها محافظت كرد.

2- حفاظت در برابر اضافه جريان: بسياري از منابع تغذيه داراي انواع مختلف محدود كننده هاي جريان هستند. بنابراين اگر جريان بار از سطح مجاز بالاتر رود، در نتيجه ولتاژ خروجي كاهش يافته و طبق قانون اهم جريان در سطح مجاز و قابل اطميناني محدود مي شود.

3- حفاظت در برابر اتصال كوتاه: روش حفاظت در مقابل اضافه جريان امكان محافظت در برابر اتصال كوتاه را مي تواند فراهم نمايد، ولي اين شرط كافي براي حفاظت منبع تغذيه در برابر جريان اتصال كوتاه نمي باشد. چون اتصال كوتاه اغلب در حالت ماندگار اتفاق مي افتد و به راحتي بر طرف نخواهد شذ. به همين خاطر با استمرار اين شرايط و تلفات حرارتي زياد امكان آتش سوزي زياد است. براي جلوگيري از چنين اتفاق ناخوش آيندي بايد از مدار شكن استفاده كرد تا بلافاصله مدار را خاموش كند. و تا وقتي كه اتصال كوتاه در ترمينالهاي منبع تغذيه از بين نرفته است، امكان روشن كردن منبع تغذيه وجود نداشته باشد.

4- حفاظت در مقابل جريان تهاجمي: SMPSها عموماً داراي خازنهاي بزرگ جهت نرم كردن ولتاژ DC و جلوگيري ريپل ولتاژ در نزديك ورودي هستند، كه باعث مي شود جريان بزرگي در لحظه روشن كردن سوئيچ ها در مدار جاري گردد. بسياري از SMPSها داراي محدود ساز جريان براي كاهش دادن جريان هجومي مي باشند.

تداخل الكترومغناطيسي:

مسأله تداخل الكترومغناطيسي يا EMI در سيستمهاي خطي در طيف فركانسي كوچكتر از KHZ20 در منابع تغذيه سوئيچينگ قابل چشم پوشي مي باشد. اما با بالا رفتن فركانس، هارمونيكهاي با فركانس بيشتر از فركانس اصلي، ايجاد تداخل در باندهاي راديويي و مخابراتي مي كنند. از آنجايي كه منابع تغذية سوئيچينگ امروزه در توانهاي بالا هم كاربرد هاي وسيع پيدا كرده اند، اين گونه از منابع تغذيه سوئيچينگ به عنوان يك منبع توليد نويز شديد و قوي براي مدارات مخابراتي شناخته مي شوند. بنابراين با فيلتر كردن ورودي و خروجي، ميزان اثر تداخل الكترومغناطيسي را تا حد امكان بايد كاهش داد.

زمان Hold Up:

اين زمان در SMPSها خيلي مهم است و بايستي كه با ايجاد اشكال در خروجي بتوان بلافاصله ورودي منبع تغذيه را قطع كرد. اين زمان عموماً بر طبق استاندارد، حدود يك يا دو سيكل با فركانس 50HZ يعني زماني بين 20 الي 40 ميلي ثانيه مي باشد.

رنج حرارتي:

يك نكته قابل توجه در مورد منابع تغذيه سوئيچينگ، خصوصاً منابع تغذية سوئيچينگي كه در داخل محفظه نگاهداري مي شوند، مسألة بالا رفتن سريع حرارت در داخل CASE يا محفظه است. اين حرارت ممكن است كه حتي از دماي بيرون جعبه هم بيشتر باشد و قطعات منبع تغذيه از اين حرارت خيلي تأثير پذير هستند. بنابراين بايد رنج حرارتي كه بدليل مصرف توان در داخل جعبه تغيير مي كند را مدِ نظر قرار داد و با طراحي مناسب پايداري حرارتي را در منبع تغذيه سوئيچينگ بخوبي حفظ نمود.

ابعاد:

حجم فيزيكي و پهناي يك منبع تغذيه طبق ضرايب خاصي محدود مي شود. با دانستن مشخصات كاري منابع تغذيه سوئيچينگ مي توان مقدار حجم يك منبع تغذية سوئيچينگ را براحتي محاسبه كرد. عموماً SMPS هايي كه با فركانس كليدزني بالاتر از فركانس صوتي داراي حجم كوچكي هستند، چرا كه كليدهايي كه در اين رنج كار مي كنند داراي تحمل توان كمي هستند. با توجه به مسألة EMI نمي توان سرعت كليدزني را خيلي افزايش داد. چون باعث توليد نويز مخابراتي مخربي خواهد شد. پس مي توان نتيجه گرفت كه حجم و اندازه يك SMPS نسبت عكس با فركانس كليدزني و نسبت مستقيم با توان منبع تغذيه دارد.

انواع استانداردهاي معتبر در SMPS ها:

بسياري از كشورهاي سازنده منابع تغذيه سوئيچينگ داراي معيارهاي تقريباً ثابت و مشابه در رابطه با SMPS ها مي باشند. براي مثال در اروپا يكي ازسازندگان مهم آلمان كه خود يکي از مهمترين پايه گذاران SMPS است يعنيVerbakd Deutscher Electroniker (VDE) است كه بسياري از تستهاي بين المللي را دارا مي باشد.

يكي از مسائل مهم منبع تغذيه تثبيت و كنترل روي اشكال متفاوت EMI است. كه استاندارد (VDE) معيارهايي براي حل اين مشکل دارد. اين معيارها نسبتاً با استانداردهاي مشابه آمريكايي تطابق دارند.

تستهاي استاندارد قابل اطمينان معتبر ديگر در مورد منابع تغذيه سوئيچينگ موجود است كه عبارتند از Underwriters Laboratory (UL) كه اين تستها در ايالات متحده امريكا انجام مي شود. استاندارد ديگري كه در كانادا بر روي منابع تغذيه سوئيچينگ اعمال مي شود، Canadian Standard Association (CSA) است.

نكته قابل توجه در مورد (UL) و (CSA) اين تستها اغلب در مورد محصولات الكتريكي که در امريكا و كانادا بکار برده مي شوند تصويب شده است، وحتماً اين تستها بايد در مورد اين اقلام انجام شود و در مورد محصولاتي كه به ساير نقاط جهان صادر مي شوند انجام نمي شود.

استاندارد International Electro technical Commission (IEC)، استاندارد ديگري است كه حتماً يك منبع تغذيه سوئيچينگ بايد از تستهاي آن سر بلند بيرون آمده باشد. به عنوان مثال IEC380 براي اعطاء مجوز به يك محصول که 3750v متناوب را بين ورودي و خروجي مدار اعمال مي كند. بايد مدارات اوليه و ثانويه فاصله 8mm و عايق بين فلزات و ساير اجزاء مدار با ضخامت 3mm را بايد رعايت كرده باشند. اين تست قويتر از انواع مشابه در استانداردهاي آمريكايي است.

تست تداخل الكترومغناطيسي در استانداردهايIEC478 part 3 و همچنين در آلمان طبق VDE0871 و در بريتانيا BS800 مصوب 1983 ميلادي و ... داراي قوانين و معيارهاي مشخصي مي باشد. حتماً در منابع تغذيه سوئيچينگ و هر نوع محصول الكتريكي ديگر بايست به اين استانداردها توجه نمود.

انرژي:

مصرف انرژي منابع تغذيه سوئيچينگ را توسط مدارات هوشمند ميكروپروسسوري مي توان تا حد ممكن كاهش داد. برنامه اي كه امروزه طراحان آنرا پيش گرفته اند، تدوين قوانين خاص براي تحقق بخشيدن به اين مهم است. از اين قبيل قوانين مي توان به برچسب ستاره انرژي امريكا service mark of the U.S. EPA اشاره كرد.

با خاموش كردن منابع تغذيه سوئيچينگ به صورت Stand by مي تواند از تلفات انرژي ناشي از كليدزني و ... درمواقعي كه بار به ترمينال منبع تغذيه متصل نمي باشد، تا حد چشمگيري جلوگيري كرد و همچنين داغ شدن منبع تغذيه را در زمان بي باري كاهش داد.

 

ممنون از توجه شما

[e-mail]

فیلدباس

سلام دوستان عزیز و گرامی من و دوست عزیزم نوید آرزوی همه شما عزیزان را در امتحانات داریم . هرچند امتحانات به پایان رسیده اما بازم امید آن است که نمره شما خیلی خوب شود و از آن راضی باشید .

فیلد باس

در يك سيتم متمركز ، همه حسگرها و تحريك كننده ها مستقيما ً به سيستم مونيتور مركزي متصل مي شوند. در يك سيستم بزرگ كه تعداد ورودي و خروجي ها به هزاران مي رسد واين تعداد بسيار فراتر ظرفيت سخت افزار كامپيوتر است ، هر دوره اخذ اطلاعات از ورودي ها بيشتر از زمان محدود تعريف شده توسط سيستم طول خواهد كشيد. ساير اشكالات سيستم متمركز عبارتند از : عدم انعطاف پذيري ، عدم استفاده از تكنيك هاي به روز و تكنولوژي هاي جديد وهزينه نصب زياد ومشكلات مربوط به توسعه سيستم . به همين دلائل سعي مي شود كه وظايف در سيستم توزيع شوند . در سيستم توزيع شده تصميم گيريها به صورت محلي صورت مي گيرد و چندين نقطه كنترلي كه وجود دارد كه به طور مستقل از هم عمل مي كنند اما به يكديگر ارتباط دارند . در يك سيستم توزيع شده ، دستگاههاي لايه پائيني هوشمند هستند و كاربر مطابق نياز خودش قادر به برنامه ريزي اين ابزار مي باشد. اين دستگاههاي هوشمند بايد قادر باشند از طريق شبكه با سايرين ارتباط برقرار كنند وبه ابزار ذخيره سازي اطلاعات دسترسي مستقيم داشته باشند.
 
در سال 1980، شركت Honeywell براي نخستين بار ، امكان سوار كردن سيگنالهاي ديجيتال روي حلقه جريان 4 تا 20 ميلي آمپر را براي برخي از Fild device هاي توليدي خود فراهم كرد. اين سرآغاز ايده ساختن فيلد باس شد. هرFild deviceبراي ارتباطش از قواعد خاص خودش پيروي مي كند كه به سازنده اش بستگي دارد. اداره چنين دستگاههايي روز به روز مشكل تر و پيچيده تر مي شود. به منظور حل اين مسأله ، از شبكه هاي كامپيوتري الهام گرفته شده است. در اين روش يك يا چند خط سريال، همه Fild device را به هم وصل مي كند. 
 يك فيلد باس از دو جزء اصلي تشكيل مي شود : Fild device ها كه گره خوانده مي شوند وبستري كه شبكه داده اي را تشكيل مي دهد. به كمك فيلد باس مي توان دستگاههاي صنعتي سطح پايين نظير حسگرها ، تحريك كننده ها، ابزار I/O و كنترل كننده ها مثل PLC و كامپيو ترها را به روشي ساده و يكسان به هم متصل نمود . با استفاده از ابزار اندازه گيري سنتي 4 تا 20 ميلي آمپر، فقط ارسال مقادير يك متغير از طريق جفت سيم ميسربود. به كمك تكنولوژي فيلدباس ، تبادل اطلاعات در فرم ديجيتالي و دو طرفه صورت مي گيرد. بنابراين علاوه بر مقادير متغيرها، مي توان اطلاعات ديگري ديگري راجع به وضعيت Fild device بدست آورد وعمل پيكربندي ابزار را نيز از طريق شبكه انجام داد . بدين ترتيب علاوه بر كنترل دستگاهها ، مي توان آنها را اداره كرد. مثلا ً مطلع شد كه يك ترانسميتر حرارتي آخرين بار چه موقع كاليبره شده است.
به كمك اين اطلاعات وبا استفاده از قدرت پردازشي Fild device ، مي توان عمليات كنترلي پيچيده تري را به صورت محلي انجام داد.
فيلد باس علاوه بر امكان انتقال سيگنا لها بين ابزار دقيق و اتاق كنترل، امكان انتقال تغذيه مورد نياز تجهيزات را تنها توسط يك جفت سيم ميسر مي سازد. اين موضوع سبب كاهش هزينه هاي كابل كشي ، پانل هاي نگه دارنده كابل ، اتصالات ، كابينتهاي مارشالينگ و مخارج نيروي انساني در رابطه با نصب ، پياده سازي و نگهداري مي شود. همچنين نياز به تعويض پانلها و قطعات ديگر به دليل فرسودگي و خوردگي ، كاهش مي يابد. سيستم انعطاف پذير مي شود و به راحتي مي توان از تكنولوژيهاي جديد استفاده كرد. هر گره را مي توان به منظور سرويس و تعمير از شبكه خارج كرد، بدون اينكه لطمه اي به عملكرد سايرين وارد شود. با استفاده از ابزار واسط مبدل سيگنالهاي فشار(3 to 15 ps ) و جريان ( 4تا 20 ميلي آمپر ) به سيگنالهاي فيلد باس ، امكان مدرنيزه كردن با تكنولوژي فيلد باس وحفظ قطعات سنتي ميسر است. به كمك اين ابزار واسط صرفه جويي هاي قابل ملاحظه اي در مدرنيزه كردن مجموعه حاصل مي شود. 
 
گفتيم كه براي ساخت فيلد باس از شبكه هاي كامپيوتري محلي ايده گرفته شده است. اما تفاوتهايي هم بين اين دو وجود دارد، از جمله اينكه نرخ انتقال اطلاعات چندان زياد نيست ليكن داده ها بايد در فواصل زماني قابل پيش بيني ارسال شوند.
هم چنين به منظور دستيابي به كارايي بالاتر تمام لايه هاي هفت گانه پروتكل (OSI ) 2 پياده سازي نمي شوند بلكه تنها سه لايه از اين پشته، يعني لايه فيزيكي ، لايه data link ولايه كاربرد پياده سازي مي شوند.
همانند شبكه هاي كامپيوتري ، چون چندين گره از يك بستر ارتباطي استفاده مي كنند، تصادم ايجاد مي شود ودر نتيجه زمان پاسخ افزايش مي يابد. پروتكل هاي مختلفي براي اداره دسترسي به بستر ارتباطي و تصادم تعريف شده كه از ميان آنها روشهاي CSMA/CD وToken passing براي كاربردهاي صنعتي مناسبترند. علاوه بر تعريف استاندارد بين المللي براي فيلد باس ، سازندگان متعددي محصولاتي تهيه كرده اند كه معمولا با يكديگر ساز گار نيستند از جمله :
BACNet, FIP/WEIP, BitBUS, P-NET, ProfiBUS, LonWorks, CANbus
Seriplex, MODBUS, Mester Fieldbus, Interbus, ISP, HART, DeviceNet 
 
در سال 1993 استاندارد بين المللي Foundation Fieldbus نتيجه تلاش مشترك ISP و WFIP تعريف شد هدف از تعريف استاندارد براي فيلد باس به شرح زير است : 
1- ابزار آلات تئليد شده توسط سازنده هاي مختلف مانند حالت ند، در عين حال از امكانات شبكه ديجيتال دو طرفه استفاده مي شود.
2- اين شبكه ها بايد قابل اتصال به سيستمهاي اتوماسيون توليد وپردازش داده تجاري نظير MAP و TOP باشند.
Field device هاي امروزي را مي توان به سه گروه تقسيم كرد:
1- ورودي – خروجي هاي آنالوگ و ديجيتال 
2- دستگاه هاي تركيبي آنالوگ و ديجيتال 
3- ابزار كاملا ديجيتال
 
دستگاه هاي نوع اول از طريق حلقه هاي جريان آنالوگ 4 تا 20 ميلي آمپر به سيستم ورودي – خروجي متصل مي شوند اين اتصالات كاملا نقطه به نقطه هستند و هر دستگاه جدا گانه، به كنترل كننده هاي ميزبان وصل مي شود. گروه دوم قابل استفاده در سيستم هاي ارتباطي آنالوگ و ديجيتال هستند. به عنوان مثال در اين سيستم ها داده ها يديجيتالي روي سيگنالهاي 4 تا 20 ميلي آمپر آنالوگ سوار مي شوند. سيگنال ديجيتال طوري ساخته مي شود كه ميانگين مقدار آن صفر باشد و خواندن مقادير جريان آنالوگ را تحت تأثير قرار ندهد. دستگاههاي گروه سوم از طريق پورتهاي RS232,RS485 به هم وصل مي شوند ونياز به درايورهاي نرم افزاري دارند. فيلد باس، پروتكل ارتباطي تمام ديجيتال با بازدهي بالاست كه جايگزين هر سه سيستم بالا مي شود. سيستم هاي مبتني بر فيلد باس تنها از محصولات فيلد باس استفاده نمي كنند بلكه تجهيزات قديمي ورودي – خروجي انالوگ قابل اتصال به فيلد باس مي باشند.
 
 در ادامه به بررسي استانداردFF وپروتكل سه لايه آن واستانداردهاي متداول خاص سازندگان مي پردازيم.
2-3-1- آشنايي با برخي از فيلد باسها
 2-3-1-1- تكنولوژي ‍‍‍‍ff) Foundation Field bus)
 
خاصيت مهم و سودمند FF ، قابليت همكاري آن است. به اين معنا كه دشتگاههاي مختلف از سازندگان متفاوت قادرند از طريق آن، در يك سيستم كار كنند. سازنده اي كه مي خواهد چنين دستگاهي را توليد كند بايد با استاندارد هاي FF توافق كند و گواهي لازم را دريافت نمايد. اين مسأله كاربر را قادر مي سازد كه به سازنده خاصي محدود نباشد و خود باعث رقابت در ساخت دستگاهها وپايين آمدن قيمتها مي شود.
پشته پروتكل FF شامل سه بخش است: 
1- لايه فيزيكي
2- لايه ارتباطات 
3- لايه كاربرد 
به منظور مدل كردن اين اجزاء ، از مدل OSI استفاده شده است. لايه فيزيكي همان لايه يك OSI است. وFMS ( لايه تعريف پيغامهاي فيلد باس ) متناظر با لايه هفتم OSI مي باشد. زير لايه FAS[7] ارتباط بين FMS وDLL[8] را فراهم مي كند. هر لايه header مربوط به خودش را به داده هاي كاربر اضافه مي كند تا پيغام به لايه فيزيكي برسد. 
لايه فيزيكي مطابق استانداردهاي ISA و IEC ساخته شده است. لايه فيزيكي پيغام را از پشته پروتكلي در يافت كرده آنرا به سيگنالهاي قابل ارسال روي بستر ارتباطي فيلد باس تبديل مي كند. عمليات تبديل شامل اضافه و حذف كردن مقدمه، محدود كننده ابتدايي و محدود كننده انتهايي مي باشد. سيگنالها به روش Manchester- Biphase-L كد مي شوند . بنابراين اطلاعات زماني لازم براي همگام سازي در خود داده ها پنهان مي باشد. گيرنده از سيگنال Preamble براي همگام سازي ساعت خودش با اطلاعات ارسالي استفاده مي كند.
2-4- پشته پروتكلي Foundation Fieldbus 
لايه فيزيكي از دو نوع باس ، پشتيباني مي كند: فيلد باس HI وفيلد باس H2. از فيلد باس HI براي كاربردهاي كنترل دما، سطح و جريان استفاده مي شود. دستگاهها را مي توان مستقيما ً از طريق فيلد باس تغذيه نمود. سيگناليك HI به اين صورت است كه بخش ارسال داده ها، جريان 10mA با سرعت 25/31 kbit/s توليد مي كند و با توجه به اينكه مقاومت ختم كننده ، 50 اهم است ولتاژي برابر يك ولت ( peak to peak) روي خط مي افتد. اين سيگنال روي جريان DC مستقيم منبع تغذيه سوار مي شود. ولتاژ تغذيه بين 9 تا 32 ولت DC متغير است. طول فيلد باس به سرعت انتقال داده ها، اندازه سيم و توان باس بستگي دارد. مسير اصلي در صورتي كه از كابل زوج سيم تابيده با محافظ استفاده شود، نبايد از 1900 تجاوز كند. فيلد باس H2 براي كنترل پيشرفته فرآيند، ورودي – خروجي هاي راه دور و كاربرد هاي اتوماسيون سرعت بالاي كارخانه بكار مي رود. گر چه استاندارد لايه فيزيكي اجازه مي دهد توان از طريق فيلد باس توزيع شود، اما در بيشتر كاربردها دستگاههاي متصل به H2، منبع تغذيه جداگانه دارند يا از طريق كابل ديگري، توان دريافت مي كنند. مشخصات سيگناليك H2 به اين ترتيب است كه دستگاه ارسال داده، جريان 60mA با سرعت 2/5 مگابيت در ثانيه توليد مي كند. با توجه مقاومت 75 ختم كننده ها، ولتاژ97 روي خط القاء مي شود. اگر قرار باشد توان از طريق باس ارسال شود، سيگنالهي فيلد باس روي سيگنال توان 16Khz AC مدوله مي شوند. دستگاه هاي فيلد باس، همگي به مسير اصلي متصل مي شوند وبه كمك اتصال دهنده خاصي از طريق كوپل القايي سيگنالهاي داده و توان را در يافت مي كنند. در اين حالت نيازي به شكستن مسير اصلي باس به منظور اتصال دستگاهها نيست.
به دليل بالا بودن سرعت انتقال داده ها، تنها از توپولوژي باس پشتيباني مي شود و به علت پديده انعكاس ، نمي توان مانند H1 انشعابها را به مسيراصلي متصل نمود. تعداد كل وسايلي كه مي توان به H2 وصل نمود بستگي به مصرف توان ، نوع كابل و استفاده از تكرار كننده ها دارد. به منظور اتصال فيلد باسهاي منفرد H1 وH2 وساخت شبكه بزرگتر از پل ( bridge ) استفاده مي شود. وظيفه لايه LDD كنترل دسترسي به رسانه ارتباطي با استفاده از زمانبند مركزي بنام LAS مي باشد. اين پروتكل از تركيب استانداردهاي ISA و IEC براي لايه DLL بوجود آمده است.
 
دستگاههاي متصل به اين باس را مي توان به سه دسته تقسيم كرد: 
1- دستگاههايي كه قادر نيستند نقش LAS را ايفا كنند.
2- دستگاههاي Link Master كه مي توانند LAS هم باشند.
3- پلهايي كه به منظور اتصال فيلد باسهاي منفرد بكار مي روند.
 
LAS
LAS يك ليست حاوي زمانهاي ارسال تمام بافرهاي داده موجود در دستگاههايي كه به صورت پريوديك داده ارسال مي كنند، نگهداري مي كند. هر زمان كه نوبت يك دستگاه فرا ميرسد ، LAS يك پيغام CD به آن مي فرستد. پس از دريافت CD ، دستگاه مزبور داده هاي موجود در بافرش را روي باس منتشر مي كند. دستگاههايي كه به عنوان مشترك دريافت پيغام پيكر بندي شده اند، اين داده ها را دريافت مي كنند. اين روش به منظور ارسال منظم و چرخشي داده ها ي حلقه كنترلي بين دستگاههاي متصل به فيلد باس طراحي شده است.
تمام دستگاههاي روي Fieldbus فرصت اين را دارند كه پيغامهاي خارج از نوبت و پيش بيني نشده را روي باس بفرستند. LAS با ارسال نشانه به يك دستگاه ، به آن اجازه استفاده از باس را مي دهد. وقتي دستگاه نشانه را مي گيرد، تا زماني كه ارسال پيغام شود يا مهلت نگهداري نشانه تمام شود، مي تواند به ارسال پيام ادامه دهد. اين پيغام به يك يا چندين مقصد ارسال مي شود. كل عمليات LAS به پنج گروه تقسيم مي شود: 
1- زمانبندي پيغام CD : همانگونه كه قبلا ذكر شد ، كل عمليات LAS كنترل دستي به باس است. اين وظيفه بالاترين الويت را داراست وساير عمليات در فواصل ارسال زمانبندي شده، انجام مي شوند.
2- نگهداري ليست اعضاي فعال : اين ليست حاوي آدرس اعضايي است كه به Token دريافتي ، پاسخ مثبت مي دهند. هر لحظه ممكن است دستگاههاي جديدي به باس وصل شود. LAS به صورت پريوديك پيغامهاي PN را به آدرسهايي مي فرستد كه در ليستش موجود نيستند. اگر دستگاهي با آدرس مذ كور حاضر باشد، به PN پاسخ مي دهد و نامش به ليست موجود در LAS اضافه مي شود.
لازم است LAS ، پس از ارسال Token به همه اعضاي فعال ، حداقل يك پيغام PN به يك آدرس ارسال كند. دستگاهها تا زماني كه به پيغامهاي PT پاسخ صحيح مي دهند در ليست باقي مي مانند. اگر پس از سه مرتبه تلاش ، دستگاهي بدون استفاده از Token ، آنرا برگرداند، از ليست حذف مي شود. پس از انجام هر نوع تغييري در جدول، محتويات آن را براي همه دستگاههاي موجود روي باس ، منتشر مي شود.
3- همگام سازي در لايه DLL : LAS بصورت پريوديك پيغام اعلام زمان سراسري را روي شبكه منتشر مي كند تا زمان تمام دستگاهها در لايه DLL، يكسان باقي بماند. اين كار لازم است، زيرا ارتباطات زمان بندي شده بلوك هاي عملياتي در لايه كاربرد ، مبتني بر اطلاعات استخراج شده از اين پيغامها هستند.
4- ارسال Token : هر دستگاه با دريافت Token ، اجازه دارد پيغامهاي زمانبندي نشده اي را ارسال كند.
5- افزونگي LAS: هر فيلد باس، ممكن است چندين Link Master داشته باشد كه با از كار افتادن LAS جاري، جايگزين آن بشوند يعني فيلد باس به صورت فعال در زمان رخ دادن خطا طراحي شده است.
لايه FMS به برنامه هاي كاربردي اجازه مي دهد كه به يكديگر از طريق فيلد باس و با استفاده از تعدادي پيغام با فرمت استاندارد، ارتباط داشته باشند. FMS، سرويس هاي ارتباطي ، فرمت پيغام ها و رفتار پروتكل براي ساخت پيغامهاي كاربر را تعريف مي كند. 
پيغامهاي FMS را مي توان بر حسب وظايفشان گروه بندي كرد:
1- پيغام هايي كه مسئول برقراري و قطع ارتباط ورد كردن پيامها هستند.
2- سرويسهاي دسترسي به متغيرها از قبيل خواندن ، نوشتن، گزارش و پاك كردن اطلاعات.
3- سرويسهايي كه به برنامه كاربر اجازه مي دهند كه رخدادها را گزارش دهد و آنها را پردازش نمايد.
4- سرويسهاي down load , up load 
5- سرويسهاي اجراي برنامه از راه دور 
آنالوگ (AO)، كنترل كننده PD و PID وتناسبي تعريف شده اند. در FF-892 ،19 تابع استاندارد ديگر نيز تعريف شده است . به عنوان مثال، يك حس كننده دما، تنها شامل بلوك عملياتي AI است. يك شير كنترل ، شامل بلوك عملياتي PID وبلوك AD مي باشد. بنابراين يك حلقه كنترلي ساده با اين بلوكهاي پايه اي ساخته مي شود.
بلوكهاي Transducer بلوكهاي عملياتي را از توابع ورودي – خروجي محلي مورد نياز براي خواندن حسگرها و صدور دستورات خروجي، جدا مي كند. اين بلوكها حاوي اطلاعاتي در مورد زمان Calibration ونوع حسگرها مي باشند. معمولا به ازاي هر بلوك عملياتي ورودي – خروجي يك بلوك Transducer لازم است. پس از طراحي سيستم وانتخاب ابزار آلات، زمان پيكر بندي سيستم كنترلي به كمك اتصال وروديهاو خروجيهاي بلوكهاي عملياتي به يكديگر طبق استراتژي كنترلي مورد نظر ، فرا مي رسد. اين كار با استفاده از اشياء گرافيكي موجود در نرم افزار پيكر بندي صورت مي گيرد بدون اينكه نياز به برقراري اتصالات فيزيكي در محل باشد. پس از مشخص شدن اتصالات بلوكهاي عملياتي ، نام دستگاهها، برچسبها ونرخ اجراي حلقه هاي كنترلي، نرم افزار پيكربندي هر دستگاه را توليد مي كنند. پس از اينكه همه دستگاهها، اطلاعات را در يافت كردند، سيستم آماده كار مي شود.
عليرغم تعريف استاندارد براي فيلد باس، اين استاندارد هنوز جهاني نشده وشركتهاي توليد كننده اي وجود دارند كه ادعا مي كنند با رعايت استانداردهاي خودشان به باز دهي بهتري دست مي يابند. محصولات اين شركتها مطابق خصوصيات زير از هم متمايز مي شوند: 
1. مشخصات فيزيكي نظير توپولوژي شبكه ، بستر فيزيكي ارتباط، ماكزيمم تعداد گره هاي متصل به گذرگاه و ماكزيمم طول مسير با تكرار كننده وبدون تكرار كننده.
2. مشخصات كارايي نظير مدت زمان هر سيكل بازرسي ورودي – خروجي ها، ومدت زمان ارسال هر بلوك داده اي.
3. مكانيزم انتقال نظير متدهاي ارتباط، خصوصيات ارسال ، سايز داده هاي انتقالي، متد دستيابي به بستر ارتباطي مشترك و روشهاي چك كردن خطا در پيغامها.
 
سهولت نصب، پذيرش جهاني و امكان انتقال توان از طريق فيل باس از ديگر مشخصات محصولات مختلف هستند اما به طور قطع نمي توان يكي از اين تكنولوژيها را به عنوان تكنولوژي برتر معرفي كرد و بسته به كاربرد ، بايد نقاط قوت وضعف هر كدام را سنجيد وابزار مناسب را انتخاب نمود. در ادامه به معرفي نمونه هايي از اين دست مي پردازيم.
 
2-3-1-2- (AS-i ) Actuator sensor-Interface
 كار بردهاي معمول آن در ماشينهاي اسمبلي و بسته بندي ، سيم كشي تك كابلي بلوكهاي حسگر با چند ورودي، حسگرهاي هوشمند، شيرهاي پنوماتيكي، سوئيچ ها و.آشكار كننده ها مي باشد. مزاياي آن، سادگي بسيار زياد ، هزينه پايين و مقبوليت گسترده است. همچنين داراي سرعت بالا مي باشد و مي توان توان مورد نياز Fielddevice را از طريق باس انتقال داد.
 
نقاط ضعف آن عبارتند از: مناسب نبودن براي اتصال به I/O هاي آنالوگ و اندازه محدود شبكه.
ASI براي استفاده در سيستمهاي كوچك با I/O گسسته طراحي شده و تقريبا ً ساده ترين فيلد باس موجود است. براي پيكر بندي آن تنها لازم است آدرس هر گروه مشخص شود ورودي – خروجي هاي متناسب به آن نسبت داده شوند. كابل سيگنال قادر است توان 30 ولت DC را با جريان كم ، براي تغذيه وروديها ، حمل كند وتوان مورد نياز خروجي ها از طريق كابل جداگانه اي حمل مي شود.
با وجود عدم استفاده از پوشش محافظ در مقابل اغتشاشات RFI,EMI مصون است ، به اين دليل كه سيگنالهاي ديجيتال روي ك مصون است ، به اين دليل كه سيگنالهاي ديجيتال روي ك مصون است ، به اين دليل كه سيگنالهاي ديجيتال روي كابل بصورت سيگنال سينوسي كد مي شوند كه پهناي باند خيلي باريكي دارد. مكانيزم فيلترينگ در طول شبكه توزيع شده وسيگنالهاي اغتشاش را پس مي زند. سيگنالهاي آنالوگ نيز مي توانند روي خط، ارسال شوند، اما هر گره تنها مي تواند يك دستگاه آنالوگ را پشتيباني كند.
زمان SCAN در ASI قطعي است. يعني با اطمينان مشخص كرد كه فاصله زماني بين تغيير وضعيت تا گزارش آن چقدر است. براي محاسبه زمان SCAN بايد تعداد گره ها شامل Slave,Master را در 150 ميكرو ثانيه ضرب كرد.
 
2-3-1-3- Interbus 
كاربردهاي متداول آن در ماشينهاي اسمبلي، جوشكاري و كنترل مواد مي باشد. همچنين براي سيم بندي تك كابلي حسگر چند ورودي، شيرهاي پنوماتيكي ، بار كد خوانها، درايوها و واسط هاي كاربر استفاده مي شود. از مزاياي آن آدرس دهي اتوماتيك بهگره هاست كه شروع به كار سيستم را آسان و سريع مي كند. توانايي تشخيص خطاي آن بسيار پيشرفته است. پيغام هاي آن Overhead كمي دارند و زمان پاسخ سريع و استفاده مؤثر از پهناي باند و انتقال توان از خصوصيات ديگر آن است.
اشكال آن اين است كه از كار افتادن يك اتصال، كل شبكه را از كار مي اندازد و توانايي انتقال مقادير خيلي زياد داده را ندارد.
 اين باس از نظر فيزيكي شبيه يك شبكه مبتني بر Line-and-drop به نظر مي رسد اما در واقع يك رينگ سريال است و هر Slave، دو اتصال دارد و از طريق يكي داده را رد مي كند و از طريق ديگري داده ها را به بعدي منتقل مي كند. اطلاعات آدرس دهي در اين پروتكل وجود ندارد و داده ها به روش چرخشي روي شبكه قرار مي گيرند وMaster با توجه به مكان هر گره در حلقه مي تواند تشخيص دهد گره در حال خواندن يا نوشتن است. اين مسأله سربار بسته هاي داده اي را مي نيمم مي كند. بنابراين تعداد كمي از باسهاي موجود سريعتر از InterBUS هستند.
 
InterBUS مي تواند به آساني I/O هاي آنالوگ و ديجيتال را اداره كند و داده ها مي توانند بصورت بلوكي ارسال شوند. به كمك ماجولهايي به نام COMM كه بوردهايي به اندازه كارت اعتباري هستند ونصب آنها در كنترل كننده ها، واسط كاربر، درايو، بار كد خوان، پردازنده سيگنال و هر دستگاه ديگري ، مي توان آنها را به فيلد باس متصل كرد.
 
2-3-1-4- CAN Open 
كاربردهاي متداول آن در سيستمهاي كنترل حركت، ماشين هاي اسمبلي ، جوشكاري و كنترل مواد، اتصال بلوكهاي حسگر ، حسگرهاي هوشمند، شيرهاي پنوماتيك ، بار كد خوان ، واسط كاربر ودرايو مي باشد.
 
 CAN Open در واقع پروتكل لايه كاربرد است و بر مبناي پروتكل CAN كه لايه هاي 1و2 را تعريف مي كند نوشته شده است و مزاياي آن عبارتند از:
 از ساير شبكه هاي مبتني بر پروتكل CAN براي كنترل حركت سرعت بالا و حلقه هاي فيلدبك مناسبتر است. 

 

با تشکر از توجه شما

محمود فخارزاده

[e-mail]

 

فلیپ فلاپ

درالکترونیک و کامپیوتر، فلیپ فلاپ یک نوع مدار دیجیتال است که می تواند به عنوان یک بیت حافظه عمل کند. یک فلیپ فلاپ می تواند شامل دو سیگنال ورودی، صفر یا یک در پایه ورودی باشد.

ضمنا یک فلیپ فلاپ دارای یک پایه زمانی (clock) و یک خروجی(out put) و دو پایه set و reset می باشد.بعضی از فلیپ فلاپ ها شامل یک پایه clear می باشند که خروجی را دوباره راه اندازی(reset) می کنند. (در واقع فیلیپ فلاپ ها یکی از انواع مدارات مجتمع(Ic) هستند که برای کار به اتصالات تغذیه و زمین نیاز دارند.) تغییرات پالسهای ورودی که منظور همان صفر و یک دیجیتال می باشند، بهمراه پایه clock سبب تغییرات در خروجی می شوند. عملا هر تغییری در وضعیت خروجی، به طور( به طورهمزمان وابسته به تغییرات پالس در پایهclock است.مشخصات آیسی های فلیپ فلاپ ها مثلا پایه های ورودی، خروجی وبقیه پایه ها توسط کارخانه های سازنده دردفترچه هایی تحت عنوان دیتاشیت(data sheet) قرار می گیرند.) فلیپ فلاپ ها انواع متفاوتی دارند کهاین انواع مختلف عبارتند از:
فلیپ فلاپSR -فلیپ فلاپJK - فليپ فلاپ T - فليپ فلاپ D
فلیپ فلاپ SR یک المان فیزیکی است که می تواند به عنوان یک عنصر تاخیر دهنده به کار گرفته شود. این المان فیزیکی دارای دو ورودی به نام های R و S می باشد و دو خروجی دارد که یکی متمم دیگری است.
طرز کاراین فلیپ فلاپ:
وقتی عملکرد مداررا بررسی می کنیم اگر S=1 و R=0 باشد،اصطلاحا می گویند مدار set است یعنی خروجی آن 1 شده است. اگر پس از آن S=0 شود، مدار در وضعیت set باقی می ماندولی اگر R=1 شود اصطلاحا می گویند مدار Reset شده است یعنی خروجی در این لحظه صفراست، و اگر در این لحظه R=0 شود مدار در حالت Reset باقی می ماند. بنابراین R=0 و S=0 در خروجی نشان می دهد که کدامیک از S یا R آخرین بار برابر 1 بوده است. یعنیمدار آخرین وضعیت غیر صفر ورودی را به خاطر سپرده است. مطابق جدول کارنواگر R و S همزمان در حالت 1 قرارگیرند مدار در حالت نامشخص خواهد بود. به این خاطر مدارهای دارای فلیپ فلاپ SR راطوری طراحی می کنند که هیچ گاه ورودی های S و R همزمان برابر 1 نشود.


این مورد محدودیتی برای فلیپ فلاپ SR است، که درفلیپ فلاپ JKاین نقص برطرف شده است. :

فلیپ فلاپ JK:
این عنصر تاخیر دهنده دارای دو ورودی به نام J و K می باشد و دو خروجی آن یکی متممدیگری است و در آن محدودیت فلیپ فلاپ SR را رفع کرده اند و دو ورودی J=1 و 1=K برایاین مدار قابل قبول است.
در این فلیپ فلاپ همانند نوع SR ورودی تمام صفر یعنی J=0 و K=0 تاثیری در حالت خروجی فلیپ فلاپ ندارد و همان حالت قبلی حفظ می شود. ولیاگر J=1 و 1=K باشد یک ورودی قابل قبول است که باعث تغییر حالت در مقدار خروجی میشود


------فليپ فلاپ نوع T :
این عنصر تاخیر دهنده دارای یک ورودی به نام T است و دو خروجی به صورت Y و متمم آندارد.چنانچه T=1 شود باعث تغییر در خروجی می شود یعنی اگر خروجی صفر باشد مقدار آن یک میشود و برعکس اگر خروجی یک باشد مقدار آن صفر می شود. این فلیپ فلاپ را به این خاطرفلیپ فلاپ جهشی نیز می نامند.فلیپ فلاپ T همانند فلیپ فلاپ JK است که دو ورودی آن از یک متغیر مقدار می گیردیعنی یا هر دو J و K مقدار صفر و یا هر دو مقدار یک دارند. به این ترتیب در مواقعی یک است، ایجاد جهش می کند.


فليپ فلاپ نوع D ':
این مدار تاخیر دهنده شبیه به یک عنصر تاخیر دهنده ساعت عمل می کند به این ترتیب کههر ورودی به آن می دهیم در یک فاصله زمانی مشخصی بعدا همان ورودی را به صورت خروجیدریافت می کنیم.
از این رو این فلیپ فلاپ را فلیپ فلاپ تاخیر (Delay) می نامند. این فلیپ فلاپ یک ورودی به نام D دارد

 

با تشکر از توجه شما

محمود فخارزاده .

[e-mail]

فیبر نوری

فیبر نوری یکی از محیط‌های انتقال هدایت شده است که در مخابرات مورد استفاده قرار می‌گیرد. محیط انتقال، جایی بین فرستنده و گیرنده است. وقتی پیامی مانند دیتا، تصویر، صدا و یا فیلم قرار است انتقال داده شود نیاز به محیط انتقالی مثل فضای آزاد که ارتباط «وایرلس»بی‌سیم را شامل می‌شود، خط دوسیمه تلفنی، کابل کواکسیال و یا فیبرنوری است. در حقیقت می‌توان گفت از نظر ساختاری فیبر نوری یک موج‌ بر استوانه‌ای از جنس شیشه یا پلاستیک است که از دو ناحیه مغزی و غلات یا هسته و پوسته با ضریب شکست متفاوت و دولایه پوششی اولیه و ثانویه پلاستیکی تشکیل شده است فیبرنوری از امواج نور برای انتقال داده‌ها از طریق تارهای شیشه یا پلاستیک بهره می‌گیرد. هرچند استفاده از هسته پلاستیکی هزینه ساخت را پایین می‌آورد، اما کیفیت شیشه را ندارد و بیشتر برای حمل داده‌ها در فواصل کوتاه به کار می‌رود. مغز و غلاف یا هسته و پوسته با هم یک رابط بازتابنده را تشکیل می‌دهند. قطر هسته و پوسته حدود 125 میکرون است (هر میکرون معادل یک میلیونیوم متر است) چند لایه محافظ در یک پوشش حول پوسته قرار می‌گیرد و یک پوشش محافظ پلاستیکی سخت لایه بیرونی را تشکیل می‌دهد این لایه کل کابل را در خود نگه می‌دارد که می‌تواند شامل صدها فیبرنوری مختلف باشد. هر کابل نوری شامل دو رشته کابل مجزا یکی برای ارسال و دیگری دریافت دیتا در نظر گرفته می‌شود با گسترش فناوری‌های اطلاعات و ارسال پهنای باند بیشتر اطلاعات، ما احتیاج به محیط‌های انتقال هدایت شده‌ای داریم که بتواند پهنای باند بیشتری را هدایت کند. پهنای باند بیشتر به معنای ارسال اطلاعات بیشتر یا سرعت بالاتر اطلاعات است. در حقیقت می‌توان گفت ظرفیت و سرعت دو دلیل اصلی استفاده از شبکه فیبرنوری است. امروزه یک کابل مسی انتقال داده را تنها با سرعت یک گیگابایت در ثانیه ممکن می‌کند در حالی که یک فیبرنوری به ضخامت تار مو امکان انتقال‌های چندگانه را به طور همزمان با سرعتی حتی بیشتر از 10 گیگابایت در ثانیه به ما می‌دهد که این سرعت روز به روز افزایش می‌
یابد. از آنجایی که در فیبرنوری ما از امواج نوری یا لیزری استفاده می‌کنیم که دارای فرکانس بسیار بالاتری از ماکروویو است بنابراین می‌توان پهنای باند بیشتری را ارسال کرد. در مخابرات هرچه فرکانس امواجی که می‌خواهیم اطلاعات را روی آن ارسال کنیم بیشتر باشد پهنای باند بیشتری را می‌توانیم انتقال دهیم.

استفاده از فیبرنوری چه مزایایی دارد؟ آیا با انتقال امواج از طریق ماهواره قابل مقایسه است؟

اولین مزیتی که فیبرنوری دارد این است که از تمام محیط‌های انتقالی که وجود دارد چه وایرلس و سیمی، و چه هدایت شده و غیرهدایت شده پهنای باند بیشتری به ما می‌دهد یعنی در حقیقت می‌تواند اطلاعات بیشتری ارسال کند. ارتباطات ماهواره‌ای تنها فناوری است که می‌تواند با فیبرنوری در زمینه انتقال داده‌ها رقابت کند. ولی چون فرکانس لیزری که استفاده می‌شود از فرکانسی که در امواج ماهواره‌ای استفاده می‌شود بیشتر است بنابراین داده‌های بیشتری از طریق فیبرنوری انتقال داده می‌شود.استفاده از فیبرنوری یک روش نسبتا ایمن برای انتقال داده است زیرا برعکس کابل‌های مسی که دیتا را به صورت سیگنال‌های الکترونیکی حمل می‌کنند فیبرنوری در مقابل سرقت اطلاعات آسیب‌پذیر نیست. یعنی کابل فیبرنوری را نمی‌توان قطع کرده و اطلاعات را به سرقت برد.
مسئله دیگر ارزان قیمت بودن آن است به ویژه در مقایسه با ارتباطات از طریق ماهواره. یکی دیگر از مزایای فیبرنوری در مقایسه با کابل‌های سیمی و کواکسیان سبک بودن و راحتی تعبیه آن بین دو نقطه است. نکته بعدی این است که سیستم‌های کابلی در طول انتقال نیاز به تکرارکننده یا ریپیتر زیادتری برای تقویت امواج دارند درحالی که برای یک سیستم کابل نوری به علت افت بسیار کمی که دارد تعداد تکرارکننده کمتری استفاده می‌شود باید گفت هرچه فیبر خالص‌تر و دارای طول موج بیشتری باشد پورت‌های نور کمتری جذب و تضعیف سیگنال کمتر می‌شود و در نتیجه نیاز به تکرارکننده که یک سیگنال را دریافت کرده و قبل از ارسال به قطعه بعدی فیبر، آن را تقویت می‌کند کاهش می‌یابد و همین باعث می‌شود قیمت تمام شده سیستم پایین بیاید.
از طرف دیگر فیبرهای نوری از عوامل طبیعی کمتر تاثیر می‌پذیرند. بدین صورت که میدان‌های مغناطیسی و یا الکتریکی شدید بر آن هیچ تاثیری نمی‌گذارد و خطر تداخل امواج پیش نمی‌آید به همین دلیل می‌توان آنها را برخلاف کابل مسی از کنار کابل‌های فشار قوی یا ژنراتورهای برق عبور داد. همچنین خواصی همچون ضد آب بودن آن باعث شده تا از آن، روز به روز به طور گسترده‌تری استفاده شود.

آیا استفاده از فیبرنوری معایبی هم دارد؟

برای این که دیگر در فیبرنوری با سیگنال الکتریکی سروکار نداریم باید از ادواتی مثل تقویت‌کننده‌ها و آشکارسازهای نوری استفاده کنیم که تا حدودی گران است. از سوی دیگر از فیبرنوری فقط می‌توان برای انتقال اطلاعات آن هم به صورت شعاع‌های نوری استفاده کرد و نمی‌توان برای انتقال الکتریسیته استفاده کرد.
اتصال فیبرنوری به یکدیگر بسیار مشکل و وقت‌گیر و نیاز به یک کادر فنی سطح بالا دارد یکی از ایرادهای مهمی که به فیبرنوری وارد می‌شود این است که به راحتی کابل‌ها را
نمی‌توان پیچ و خم داد زیرا زاویه تابش نور در داخل آن تغییر کرده و باعث می‌شود نور از سطح آن خارج شود و از طرف دیگر آنها را نمی‌توان به راحتی قطع کرد و برای قطع آنها نیاز به تخصص ویژه‌ای است چون در غیر این صورت زاویه شکست عوض می‌شود.

استفاده از فیبرنوری چه تاثیری در گسترش فناوری اطلاعات و ارتباطات دارد؟

امروزه با توجه به سرعت تولید علم و دانش نیاز به افزایش سرعت تبادل آنها بیشتر شده است. دنیا به سمتی می‌رود که از ابزاری استفاده کند که با ارائه پهنای باند بیشتر همزمان تعداد بیشتری به راحتی و با سرعت زیاد اطلاعات را در اختیار داشته باشند یا همزمان بتوانند به راحتی با موبایل یا تلفن صحبت کنند و به اینترنت وصل شوند و فیبرنوری یکی از فناوری‌هایی است که می‌تواند این امکان را فراهم کند.
بکارگیری فیبرنوری برای انتقال اطلاعات از سال 1966 شکل گرفت ولی تا سال 1976 عملا در انتقال داده قابل استفاده نبود ولی اکنون شرکت‌های تلویزیون کابلی و شرکت‌های چند ملیتی جهت انتقال داده‌ها و اطلاعات مالی در سراسر جهان و... از فیبرنوری استفاده می‌کنند. اکنون در ایران با توجه به زیاد شدن کاربران اینترنت، استفاده کنندگان از تلفن ثابت و موبایل و مهم‌تر از همه به خاطر این که ایران در مسیر شاهراه اطلاعات بین اروپا و چین قراردارد ضرورت استفاده از شبکه فیبرنوری حس شده و بهره‌برداری از آن اجرایی می‌شود. البته باید توجه داشت استفاده از فیبرنوری به موازات استفاده از بقیه سیستم‌های انتقال اطلاعات صورت می‌گیرد.

فیبرنوری چه کاربردهای دیگری دارد؟

استفاده از حسگرهای فیبرنوری برای اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی مانند جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی، فشار، حرارت و جابجایی آلودگی آب‌های دریا، سطح مایعات، تشعشعات پرتوهای گاما و ایکس بهره گرفته می‌شود. یکی دیگر از کاربردها فیبرنوری در صنایع دفاعی و نظامی است که از آن جمله می‌توان به برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار، کنترل و هدایت موشک‌ها و ارتباط زیردریایی‌ها اشاره کرد. فیبرنوری در پزشکی نیز کاربردهای فراوانی دارد از جمله در دزیمتری غدد سرطانی، شناسایی نارسایی‌های داخلی بدن، جراحی لیزری، استفاده در دندانپزشکی و اندازه‌گیری خون و مایعات بدن.
ظرفیت و سرعت زیاد و ایمنی اطلاعات از دلایل اصلی استفاده از شبکه فیبرنوری است
فیبرنوری در اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی، صنایع دفاعی و نظامی و پزشکی به کار گرفته می‌شود
شبکه ملی فیبر نوری
با افتتاح شبکه ملی فیبر نوری کشور به طول 57 هزار کیلومتر، همه شهرها و مراکز استان‌ها و نقاط مرزی کشور از شبکه زیرساختی لازم با کیفیت بالا برخوردار می‌شوند. این شبکه قرار است به شبکه فیبر نوری کشورهای همسایه نیز متصل شود.

 

 مزایای فیبرنوری در مقایسه با كابل مسی:

فیبرنوری سبك تر و ارزانتر از كابل مسی است و حجم كمتری را اشغال می كند. ظرفیت انتقال فیبرنوری چندین هزار برابر كابل مسی است، بطوریكه در كشور ژاپن، یك تار فیبرنوری نه هزار و 500 ارتباط و درایران می تواند حدود چهار هزار ارتباط تلفنی را برقرار كند.

فیبرنوری فاقد اثرات نویز محیطی است و طول عمرش هم بیشتر است، همچنین در انتقال اطلاعات تلفات كمتری دارد.

  در مخابرات: برای انتقال پیام های مخابراتی با سرعت و ظرفیت بالا در ارتباط بین مراكز تلفن شهری و انتقال اطلاعات شبكه رایانه ای و همچنین برای برقرای ارتباط تلویزیونی به صورت CABLE-TV

-   در پزشكی: برای اندوسكوپی و جراحی لیزری

-   درصنعت: برای انتقال نور لیزر به منظور برش دقیق فلزات، شبكه بندی رایانه های صنعتی

-   در احساسگرها ( SENSORS ) به منظور اندازه گیری فشار جریان برق، حرارت، پلاریزاسیون، شتاب و چرخش

-    در امور نظامی برای هدایت موشكهای محل یاب و ...

 

با تشکر از توجه شما

 

محمود فخارزاده

 

[e-mail]

ادوات ورودی ( سنسورها ، ترانسدیوسرها و ترانسمیترها)

سنسورها ، ترانسمیترها و ترانسمیترها اجزای یک پروسه صنعتی هستند که کاربردهای فراوانی در پروسه های متنوع دارند.

کاربرد عمده این قطعات در ارزیابی عملکرد سیستم و ارائه یک فیدبک با مقدار و وضعیت مناسب است که بدین ترتیب کنترلر سیستم متوجه وضعیت کارکرد آن و جگونگی حالت خروجی خواهد شد .
یک سنسور بنا به تعریف ، قطعه ای است که به پارامترهای فیزیکی نظیر حرکت ، حرارت ، نور ، فشار ، الکتریسیته ، مغناطیس و دیگر حالات انرژی حساس است و در هنگام تحریک آنها از خود عکس العمل نشان می دهد .
یک ترانسدیوسر بنا به تعریف ، قطعه ای است که وظیفه تبدیل حالات انرژی به یکدیگر را برعهده دارد ، بدین معنی که اگر یک سنسور فشار همراه یک ترانسدیوسر باشد ، سنسور فشار پارمتر را اندازه می گیرد و مقدار تعیین شده را به ترانسدیوسر تحویل می دهد ، سپس ترانسدیوسر آن را به یک سیگنال الکتریکی قابل درک برای کنترلر و صد البته قابل ارسال توسط سیم های فلزی ، تبدیل می کند .بنابراین همواره خروجی یک ترانسدیوسر ، سیگنال الکتریکی است که در سمت دیگر خط می تواند مشخصه ها و پارامترهای الکتریکی نظیر ولتاژ ، جریان و فرکانس را تغییر دهد ، البته به این نکته باید توجه داشت که سنسور انتخاب شده باید از نوع شنشورهای مبدل پارامترهای فیزیکی به الکتریکی باشد و بتواند مثلأ دمای اندازه گیری شده را به یک سیگنال بسیار ضعیف تبدیل کند که در مرحله بعدی وارد ترانسدیوسر شده و سپس به مدارهای الکترونیکی تحویل داده خواهد شد .

برای درک این مطلب به تفاوتهای میان دو سنسور انداره گیر دما می پردازیم : ترموکوپل و درجه حرارت جیوه ای ، دو نوع سنسور دما هستند که هر دو یک عمل را انجام می دهند ، اما ترموکوپل در شمت خروجی سیگنال الکتریکی ارائه می دهد ، در حالی که درجه حرارت جیوه ای خروجی خود را به شکل تغییرات ارتفاع در جیوه داخلش نشان می دهد .

ترانسمیتر وسیله ای است که یک سیگنال الکتریکی ضعیف را دریافت کرده و به سطوح قابل قبول برای کنترلرها و مدارهای الکترونیکی تبدیل می کند ، مثلأ یک حلقه فیدبک سیگنالی در سطح ماکروولت یا میلی ولت یا میلی آمپرتولید می کند و این سیگنال ضعیف می تواند با عبور از ترانسمیتر به سیگنالی در سطوح صفر تا ده ولت و یا 4 تا 20 میلی آمپر تبدیل شود. ترانسمیترها عمومأ از قطعاتی مثلop-amp برای تقویت و خطی کردن این سطوح ضعیف سیگنال استفاده می کند .

سنسورها و ملحقات آنها مثل ترانسدیوسرها را در گروه های بزرگی تحت عنوان ابزار دقیق قرار داده و آنها را بر اساس نوع انرژی قابل استفاده و روشهای تبدیل ، دسته بندی می کنند .

با تشکر از توجه شما

محمود فخارزاده

[e-mail]