RS-485 (standard consigliato 485 o EIA / TIA -485-A) è lo standard consigliato per la trasmissione di dati su un canale di comunicazione bilanciato seriale a due fili, half-duplex, multidrop. Co-sviluppato da Electronic Industries Alliance (EIA) e Telecommunications Industry Association (TIA). Lo standard descrive solo i livelli fisici di segnalazione (cioè, solo il 1° livello del modello di interconnessione dei sistemi aperti OSI). La norma non descrive il modello di programmazione dello scambio e i protocolli di scambio. RS-485 è stato creato per espandere le capacità fisiche dell'interfaccia RS232 per la trasmissione di dati binari.
Nome: Standard consigliato 485
Caratteristiche elettriche di generatori e ricevitori per l'uso in sistemi multipunto bilanciati
Caratteristiche elettriche di generatori e ricevitori per l'utilizzo in sistemi multipunto bilanciati.
Sviluppatore: Associazione delle industrie elettroniche (VIA)... Associazione Elettronica Industriale.
Edizioni standard:
RS-485A (Edizione standard 485 consigliata: A) anno di fabbricazione 1983.
EIA 485-A anno di fabbricazione 1986.
TIA/EIA 485-A anno di fabbricazione 1998.
TIA/EIA 485-A anno di edizione 2003.
ISO/IEC 8482 (1993 attivo)
Editore: ISO, IEC
Nome: Informatica - Telecomunicazioni e scambio di informazioni tra Sistemi - Interconnessioni multipunto a doppino intrecciato.
Vecchie edizioni:
ISO 8284 (1987 non attivo)
ITU-T v.11 (1996 attivo)
Editore: UNIONE INTERNAZIONALE DELLE TELECOMUNICAZIONI
Nome: Caratteristiche elettriche per circuiti di scambio bilanciati a doppia corrente funzionanti con velocità di trasmissione dati fino a 10 Mbit/s.
Vecchie edizioni:
ITU-T v.11 (1993 non attivo)
CCITT v.11 (1988 non attivo)
ANSI / TIA -485-A (1998 attivo)
Editore: American National Standards Institute, ANSI
Nome: Caratteristiche elettriche di generatori e ricevitori per l'uso in sistemi multipunto digitali bilanciati.
Trasmissione dati semiduplex bidirezionale. Il flusso di dati seriali viene trasmesso contemporaneamente solo in una direzione, la trasmissione dei dati nell'altra direzione richiede la commutazione del ricetrasmettitore. I ricetrasmettitori sono comunemente chiamati "driver", questo è un dispositivo o circuito elettrico che genera un segnale fisico sul lato del trasmettitore.
Canale di comunicazione simmetrico. Per ricevere/trasmettere dati, vengono utilizzati due cavi di segnale equivalenti. I fili sono designati dalle lettere latine "A" e "B". Questi due fili sono scambi di dati seriali in entrambe le direzioni (alternativamente). Quando si utilizza un doppino intrecciato, un canale simmetrico aumenta significativamente l'immunità del segnale alle interferenze di modo comune e sopprime bene la radiazione elettromagnetica generata dal segnale utile.
Differenziale (modo equilibrato di trasmissione dei dati). Con questo metodo di trasmissione dati all'uscita del ricetrasmettitore, la differenza di potenziale cambia, quando si trasmette "1", la differenza di potenziale tra AB è positiva quando si trasmette "0", la differenza di potenziale tra AB è negativa. Cioè, la corrente tra i contatti A e B, durante il trasferimento di "0" e "1", scorre (bilancia) in direzioni opposte.
Multipunto. Consente la connessione multipla di ricevitori e ricetrasmettitori a una linea di comunicazione. Allo stesso tempo, è consentito collegare alla linea un solo trasmettitore alla volta, e più ricevitori, il resto dei trasmettitori deve attendere che la linea di comunicazione venga rilasciata per la trasmissione dei dati.
Uscita del trasmettitore a bassa impedenza. L'amplificatore buffer del trasmettitore ha un'uscita a bassa impedenza, che consente la trasmissione del segnale a molti ricevitori. La capacità di carico standard del trasmettitore è di 32 ricevitori per trasmettitore. Inoltre, il segnale di corrente viene utilizzato per il funzionamento del "doppino intrecciato" (maggiore è la corrente di funzionamento del "doppino intrecciato", più sopprime il rumore di modo comune sulla linea di comunicazione).
Zona morta. Se il livello del segnale differenziale tra i contatti AB non supera ± 200 mV, si considera che non vi sia alcun segnale nella linea. Ciò aumenta l'immunità al rumore della trasmissione dei dati.
Numero consentito di ricetrasmettitori (driver) 32
Lunghezza massima della linea di comunicazione 1200 m (4000 piedi)
Velocità di trasferimento massima 10 Mbps
Segnale di uscita driver minimo ± 1,5 V
Segnale di uscita massimo del driver ± 5V
Corrente di cortocircuito massima del driver 250 mA
Impedenza uscita driver 54 Ohm
Impedenza ingresso driver 12 kOhm
Impedenza di ingresso totale consentita 375 Ohm
Intervallo di insensibilità del segnale ± 200 mV
Livello logico uno (Uab)> +200 mV
Livello logico zero (Uab) ← 200 mV
L'impedenza di ingresso per alcuni ricevitori può essere superiore a 12 kΩ (carico singolo). Ad esempio, 48 kOhm (1/4 di un'unità di carico) o 96 kOhm (1/8), che consente di aumentare il numero di ricevitori a 128 o 256. Con diverse impedenze di ingresso dei ricevitori, è necessario che il l'impedenza totale di ingresso non è inferiore a 375 Ohm.
Poiché lo standard RS-485 descrive solo il livello fisico della procedura di scambio dati, allora tutti i problemi di scambio, sincronizzazione e riconoscimento sono assegnati ad un protocollo di scambio superiore. Come abbiamo già detto, molto spesso, questo è lo standard RS-232 o altri protocolli superiori (ModBus, DCON, ecc.).
RS-485 stesso fa solo quanto segue:
Converte la sequenza di ingresso "1" e "0" in un segnale differenziale.
Trasmette un segnale differenziale a una linea di comunicazione bilanciata.
Connette o disconnette il trasmettitore del conducente utilizzando un segnale di protocollo più alto.
Riceve il segnale differenziale dalla linea di comunicazione.
Se colleghi l'oscilloscopio ai pin AB (RS-485) e ai pin GND-TDx (RS-232), non vedrai la differenza nella forma dei segnali trasmessi nelle linee di comunicazione. Infatti, la forma del segnale RS-485 ripete completamente la forma del segnale RS-232, fatta eccezione per l'inversione (in RS-232, viene trasmessa un'unità logica con una tensione di -12 V, e in RS-485 +5 V) .
Fig.1 Forma dei segnali RS-232 e RS-485 durante la trasmissione di due caratteri "0" e "0".
Come si può vedere dalla Fig. 1, c'è una semplice conversione dei livelli di segnale in tensione.
Sebbene la forma dei segnali sia la stessa per gli standard sopra menzionati, il metodo della loro formazione e la potenza dei segnali sono differenti.
Fig. 2 Formazione dei segnali RS-485 e RS-232
La conversione dei livelli di segnale e un nuovo metodo di formazione hanno permesso di risolvere una serie di problemi che un tempo non venivano presi in considerazione durante la creazione dello standard RS-232.
Vantaggi del segnale fisico RS-485 rispetto al segnale RS-232
Viene utilizzato un alimentatore unipolare + 5V, che viene utilizzato per alimentare la maggior parte dei dispositivi elettronici e dei microcircuiti. Ciò semplifica la progettazione e facilita l'abbinamento dei dispositivi.
La potenza del segnale del trasmettitore RS-485 è 10 volte la potenza del segnale del trasmettitore RS-232. Ciò consente di collegare fino a 32 ricevitori a un trasmettitore RS-485 e quindi trasmettere la trasmissione dei dati.
Utilizzo di segnali bilanciati, galvanicamente isolati dal potenziale dell'alimentazione di rete. Di conseguenza, l'interferenza viene esclusa dal cavo zero di alimentazione (come in RS-232). Considerando la capacità del trasmettitore di operare su un carico a bassa impedenza, diventa possibile sfruttare l'effetto della reiezione del rumore di modo comune sfruttando le proprietà del "doppino intrecciato". Ciò aumenta notevolmente il raggio di comunicazione. Inoltre diventa possibile collegare "a caldo" il dispositivo alla linea di comunicazione (sebbene ciò non sia previsto dallo standard RS-485). Si noti che in RS-232, il collegamento a caldo del dispositivo di solito porta al guasto della porta COM del computer.
Ogni ricetrasmettitore (driver) RS-485 può trovarsi in uno dei due stati: trasmissione dati o ricezione dati. Il driver RS-485 viene commutato utilizzando un segnale speciale. Ad esempio, la Fig. 3 mostra lo scambio di dati utilizzando il convertitore AC3 di Aries. La modalità del convertitore viene commutata dal segnale RTS. Se RTS = 1 (True) AC3 trasmette i dati che gli arrivano dalla porta COM alla rete RS-485. In questo caso, tutti gli altri driver devono essere in modalità di ricezione (RTS = 0). Fondamentalmente RS-485 è un amplificatore multiplex bufferizzato bidirezionale per segnali RS-232.
Fig. 3 Un esempio di utilizzo del convertitore Aries AC3.
La situazione in cui più di un driver RS-485 funzionerà in modalità trasmettitore contemporaneamente porta alla perdita di dati. Questa situazione si chiama "collisione". Per evitare collisioni nei canali di scambio dati, è necessario utilizzare protocolli superiori (OSI). Come MODBUS, DCON, DH485, ecc. O programmi che funzionano direttamente con RS-232 e risolvono problemi di collisione. Questi protocolli sono comunemente indicati come protocolli 485. Sebbene in effetti, la base hardware di tutti questi protocolli sia, ovviamente, RS-232. Fornisce l'elaborazione hardware dell'intero flusso di informazioni. L'elaborazione software del flusso di dati e la soluzione dei problemi con le collisioni sono gestite da protocolli di livello superiore (Modbus, ecc.) e software.
Diamo una rapida occhiata a questi protocolli, sebbene non siano correlati allo standard RS-485. In genere, il protocollo di livello superiore include lo scambio di pacchetti, frame o frame. Cioè, le informazioni vengono trasmesse in parti logicamente complete. Ogni fotogramma è necessariamente contrassegnato, ad es. il suo inizio e la sua fine sono indicati da caratteri speciali. Ogni frame contiene l'indirizzo del dispositivo, il comando, i dati, il checksum, necessari per organizzare lo scambio multipunto. Per evitare collisioni, viene solitamente utilizzato lo schema "master" - "slave". Il "master" ha il diritto di commutare indipendentemente il suo driver RS-485 in modalità di trasmissione, il resto dei driver RS-485 funziona in modalità di ricezione e sono chiamati "slave". Affinché lo "slave" inizi a trasmettere dati alla linea di comunicazione, il "master" gli invia un comando speciale, che conferisce al dispositivo con l'indirizzo specificato il diritto di commutare il suo driver in modalità di trasmissione per un certo tempo.
Dopo aver trasmesso il comando di abilitazione allo "slave", il "master" spegne il suo trasmettitore e attende la risposta dello "slave" per un periodo di tempo chiamato "timeout". Se durante il timeout non viene ricevuta una risposta dallo "slave", il "master" riprende nuovamente la linea di comunicazione. L'"host" è solitamente un programma installato sul computer. Esiste anche un'organizzazione più complessa dei protocolli a pacchetto, che consente di trasferire ciclicamente il ruolo di "master" da dispositivo a dispositivo. Di solito tali dispositivi sono chiamati "leader" o si dice che i dispositivi trasmettano un "marker". Il possesso del "marker" rende il dispositivo un "master", ma dovrà trasferirlo su un altro dispositivo in rete secondo un determinato algoritmo. Fondamentalmente, i protocolli di cui sopra differiscono in questi algoritmi.
Come possiamo vedere, i protocolli superiori hanno un'organizzazione batch e vengono eseguiti a livello di software, consentono di risolvere il problema con "collisioni" di dati e organizzazione multipunto dello scambio di dati.
Molte aziende producono ricetrasmettitori RS485. Di solito sono chiamati convertitori RS232 - RS485 o convertitori RS232-RS485. Per l'implementazione di questi dispositivi vengono prodotti microcircuiti speciali. Il ruolo di questi microcircuiti è convertire i livelli del segnale RS232C nel livello del segnale RS485 (TTL / CMOS) e viceversa, nonché garantire il funzionamento half-duplex.
Con il metodo di passaggio alla modalità di trasmissione, si distinguono i dispositivi:
Commutabile tramite un segnale separato. Per passare alla modalità di trasmissione, è necessario impostare un segnale attivo su un ingresso separato. Questo è solitamente il segnale RST (porta COM). Questi ricetrasmettitori sono ormai rari. Ma, tuttavia, a volte non sono sostituibili. Diciamo che è necessario ascoltare lo scambio di dati tra i controller di apparecchiature industriali. Allo stesso tempo, il tuo ricetrasmettitore non dovrebbe entrare in modalità di trasmissione, in modo da non creare una collisione in questa rete. Utilizzo del ricetrasmettitore con commutazione automatica non consentito qui. Un esempio di tale convertitore Aries AC3.
Con commutazione automatica e senza controllo dello stato della linea. I convertitori più comuni, che commutano automaticamente quando un segnale informativo appare al loro ingresso. Allo stesso tempo, non controllano l'attività della linea di comunicazione. Questi convertitori richiedono un uso attento a causa dell'elevata probabilità di collisioni. Un esempio del convertitore Aries AC3M.
Con commutazione automatica e con controllo dello stato della linea. I convertitori più avanzati in grado di trasmettere dati alla rete solo se la rete non è occupata da altri ricetrasmettitori e in ingresso è presente un segnale informativo.
Fig.4 Schema schematico di AC3 Ariete.
La Figura 4 mostra un diagramma schematico del convertitore AC3 Aries. Questo convertitore ha un segnale separato per abilitare la modalità di trasferimento dati. Il segnale di uscita COM della porta RST viene utilizzato come segnale di controllo. Se RST = 1 (+ 12V) il convertitore trasmette i dati dal TD (porta COM) alla rete RS485, se RST = 0 (-12 V), allora i dati vengono ricevuti dalla rete RS-485 al RD (COM porta) ingresso. Il convertitore opera su una rete industriale a 220 volt AC. L'alimentazione del convertitore è realizzata secondo un circuito a impulsi basato sul microcircuito TOP232N (DA1). L'alimentatore fornisce due tensioni indipendenti + 5V. Per ricevere e convertire segnali polari RS232 (± 12 V) in segnali unipolari livello TTL/CMOS (+5 V), viene utilizzato un microcircuito MAX232N (DD1). Questo microcircuito è interessante in quanto è alimentato da una tensione unipolare di +5 V e dispone di sorgenti di tensione integrate necessarie per funzionare con segnali polari di ± 12 V. Per il corretto funzionamento delle sorgenti di tensione integrate, esterne i condensatori C14, C15, C17, C18 sono collegati al microcircuito MAX232N. ... Inoltre, il microcircuito ha due convertitori di livelli di segnale da RS-232C a TTL / CMOS in entrambe le direzioni.
Assegnazione del segnale:
RST - per commutare il convertitore in modalità di trasmissione/ricezione
TD - trasferimento dati da RS232 a RS485
RD - ricezione dati in RS232 da RS485
Inoltre, i segnali RS232 convertiti a livello TTL/CMOS vengono inviati agli optoaccoppiatori 6N137, che forniscono l'isolamento galvanico dei segnali RS232 e RS485. Per trasmettere/ricevere dati sul lato interfaccia RS485 viene utilizzato un microcircuito DS75176 (ricetrasmettitore RS485 multipunto). Questo microcircuito è alimentato da una fonte separata con una tensione di +5 V. Il microcircuito è un amplificatore di segnale di livello TTL / COMOS con commutazione della direzione di trasmissione. Le uscite DS75176 sono collegate ai pin A e B tramite resistori da 100 Ohm, che forniscono una corrente di cortocircuito A-B di 250 mA. La potenza del segnale RS485 è circa 10 volte quella dei segnali RS232. Questo microcircuito amplifica il segnale alla potenza richiesta e fornisce un funzionamento half-duplex.
La rete RS-485 è costruita su uno schema di bus seriale (bus), ad es. i dispositivi della rete sono collegati in serie con cavi simmetrici. In questo caso, le estremità delle linee di comunicazione devono essere caricate con resistori di terminazione - "terminatori", il cui valore deve essere uguale all'impedenza caratteristica del cavo di comunicazione.
I terminatori svolgono le seguenti funzioni:
Riduce la riflessione del segnale dalla fine della linea di comunicazione.
Fornisce una corrente sufficiente attraverso l'intera linea di comunicazione per rifiutare il rumore di modo comune con un cavo a doppino intrecciato.
Se la distanza del segmento di rete supera i 1200 m o il numero di driver nel segmento è superiore a 32 pezzi, è necessario utilizzare un ripetitore per creare il segmento di rete successivo. Inoltre, ogni segmento di rete deve essere connesso a terminatori. In questo caso, un segmento di rete è considerato un cavo tra un dispositivo finale e un ripetitore o tra due ripetitori.
Lo standard RS-485 non specifica quale tipo di cavo bilanciato utilizzare, ma di fatto l'uso è un cavo a doppino intrecciato con un'impedenza caratteristica di 120 ohm.
Figura 6 Cavo industriale Belden 3106A per reti RS485
Si consiglia di utilizzare il cavo industriale Belden3106A per le reti RS485. Questo cavo ha un'impedenza caratteristica di 120 ohm ed è un doppino intrecciato con doppia schermatura. Il cavo Belden3106A contiene 4 fili. I fili arancione e bianco sono doppini intrecciati schermati simmetrici. Il filo blu del cavo viene utilizzato per collegare il potenziale zero degli alimentatori dei dispositivi in rete e viene chiamato "comune" (Comune). Il filo nudo viene utilizzato per mettere a terra la guaina del cavo ed è chiamato Drain. In un segmento di rete, il filo di terra è messo a terra attraverso una resistenza sul telaio del dispositivo, a un'estremità del segmento, per evitare che le correnti vaganti scorrano attraverso la guaina del cavo, a diverso potenziale di terra in punti remoti.
Tipicamente, le resistenze di terminazione e di terra di protezione si trovano all'interno del dispositivo. È necessario collegarli correttamente utilizzando ponticelli o interruttori. Una descrizione di questi collegamenti deve essere trovata nella documentazione tecnica del produttore del dispositivo.
Figura 7 Schema elettrico 1747-AIC (Allen Bradley)
La Figura 7 mostra i collegamenti via cavo ai dispositivi intermedi su un segmento di rete. Per il primo strumento su un segmento di rete DH-485 è necessario installare il jumper 5-6 (che collega il terminatore da 120 ohm che si trova all'interno del 1747-AIC) e il jumper 1-2 (collega il cavo di terra al telaio dello strumento tramite un resistenza interna). Per l'ultimo dispositivo nel segmento di rete, è necessario installare solo il ponticello 5-6 (collegare un terminatore)
Quando si utilizzano altri cavi bilanciati, soprattutto quando non si conosce la loro impedenza caratteristica, la dimensione dei terminatori viene scelta empiricamente. Per fare ciò, è necessario installare l'oscilloscopio nel mezzo del segmento di rete. Controllando la forma degli impulsi rettangolari trasmessi da uno dei driver, si può concludere che è necessario regolare il valore della resistenza del terminatore.
L'interfaccia RS-485 è diventata la principale interfaccia fisica per le reti di trasmissione dati industriali. Protocolli come ModBus, ProfiBus DP, DCON, DH-485 operano sul livello fisico RS-485.
I protocolli di trasferimento dati industriali sono spesso classificati dai produttori. Le informazioni su un particolare protocollo di comunicazione devono essere raccolte bit per bit.
Uno specialista che lavora con le reti industriali ha bisogno di un programma per leggere tutte le informazioni trasmesse nelle reti di informazione. I segreti di base dei protocolli industriali possono essere scoperti solo attraverso un'analisi completa dei dati trasmessi e ricevuti. Il programma ComRead v.2.0 è progettato per salvare e visualizzare dati e segnali di servizio trasmessi in reti di informazioni che operano secondo gli standard RS-232, RS-485, Bell-202, ecc. Il programma non solo salva tutte le informazioni, ma anche crea una base temporale di dati e segnali di servizio. Il programma ComRead v.2.0 esegue la scansione del canale di informazioni senza influire sul suo funzionamento, ovvero funziona nella modalità di ascolto del supporto fisico di trasmissione delle informazioni. Inoltre, il programma può funzionare in modalità traduttore di dati e segnali di servizio. Allo stesso tempo, diventa una parte diretta del canale di comunicazione delle informazioni. Maggiori dettagli possono essere trovati con il programma qui
Capacità di trasmissione.
Connessione multipunto.
Svantaggi di RS485
Elevato consumo di energia.
Mancanza di segnali di servizio.
Possibilità di collisioni.
Lo standard RS-485 è stato adottato per la prima volta dalla Electronics Industry Association. Oggi passa in rassegna le caratteristiche elettriche di vari ricevitori e trasmettitori utilizzati nei sistemi digitali bilanciati.
Qual è questo standard?
RS-485 è il nome di una nota interfaccia che viene utilizzata attivamente in tutti i tipi di sistemi di controllo industriale allo scopo di collegare tra loro determinati controller e molti altri dispositivi. La principale differenza tra questa interfaccia e RS-232 è che comporta la combinazione di diversi tipi di apparecchiature contemporaneamente. Quando si utilizza RS-485, lo scambio dati ad alta velocità tra più dispositivi è garantito utilizzando un'unica linea di comunicazione a due fili in modalità half-duplex. È coinvolto nell'industria moderna nella creazione di sistemi di controllo di processo.
Autonomia e velocità
Con l'aiuto dello standard presentato, è possibile ottenere la trasmissione di informazioni a una velocità fino a 10 Mbit / s. Va notato che in questo caso, la portata massima possibile dipende direttamente dalla velocità di trasmissione dei dati. Va notato che per garantire la massima velocità, le informazioni possono essere trasmesse non oltre i 120 metri. Allo stesso tempo, a una velocità di 100 kbps, i dati vengono trasmessi a oltre 1200 metri.
Il numero di dispositivi combinati
Il numero di dispositivi che l'interfaccia RS-485 può combinare in sé dipende direttamente da quali ricetrasmettitori sono coinvolti in essi. Ogni trasmettitore consente il controllo specifico di 32 ricevitori standard. È vero, dovresti essere consapevole che ci sono ricevitori con un'impedenza di ingresso che differisce dallo standard del 50%, 25% o meno. Se si utilizza questa apparecchiatura, il numero totale di dispositivi aumenta di conseguenza.
Connettori e protocolli
Il cavo RS-485 non è in grado di standardizzare alcun particolare formato di frame di dati o protocollo di comunicazione. Di norma, per la trasmissione vengono utilizzati gli stessi frame utilizzati da RS-232. In altre parole, i bit di dati, i bit di arresto e di avvio e il bit di parità, se necessario. Per quanto riguarda il funzionamento dei protocolli di scambio, nei sistemi più moderni viene eseguito secondo il principio "master-slave". Ciò significa che un determinato dispositivo della rete funge da master e avvia lo scambio di richieste di invio tra dispositivi slave, che differiscono tra loro per indirizzi logici. Il protocollo più famoso attualmente è Modbus RTU. Va notato che il cavo RS-485 non ha un tipo specifico di connettori o cablaggio. In altre parole, ci sono connettori terminali, DB9 e altri.
Connessione
Spesso, utilizzando l'interfaccia presentata, si incontra una rete locale, che combina contemporaneamente diversi tipi di ricetrasmettitori. Quando si effettua una connessione RS-485, è necessario interconnettere correttamente i circuiti di segnale. Di norma, sono chiamati A e B. Pertanto, l'inversione di polarità non è un grosso problema, solo i dispositivi collegati smettono di funzionare.
Quando si utilizza l'interfaccia RS-485, è necessario tenere conto di alcune caratteristiche del suo funzionamento. Pertanto, le raccomandazioni sono le seguenti:
1. Il mezzo ottimale per la trasmissione del segnale è un cavo a doppino intrecciato.
2. Le estremità del cavo devono essere terminate utilizzando resistori terminali specializzati.
3. La rete, dove si utilizza standard o USB RS-485, deve essere posata senza rami secondo la topologia del bus.
4. I dispositivi devono essere collegati al cavo utilizzando la lunghezza del cavo più corta possibile.
Armonizzazione
Con l'ausilio di resistenze terminali, RS-485 standard o USB garantisce la completa corrispondenza dell'estremità aperta del cavo con la linea successiva. Ciò elimina completamente la possibilità di riflessione del segnale. L'impedenza nominale dei resistori associata all'impedenza caratteristica del cavo a doppino intrecciato e dei fili è tipicamente di circa 100-120 ohm. Ad esempio, il cavo UTP-5 attualmente noto, che viene spesso utilizzato nel processo di posa di Ethernet, ha un'impedenza caratteristica di 100 ohm.
Per altre opzioni di cavo, possono essere applicate altre classificazioni. I resistori possono essere saldati sui pin dei connettori dei cavi nei dispositivi terminali, se necessario. Non capita spesso che i resistori siano installati nell'apparecchiatura stessa, per cui è necessario installare i ponticelli per collegare il resistore. In questo caso, quando il dispositivo è connesso, la linea non corrisponde. Per garantire il normale funzionamento del resto del sistema, sarà necessario collegare una spina di terminazione.
Livelli di segnale
La porta RS-485 adotta uno schema di comunicazione bilanciato. In altre parole, i livelli di tensione sui circuiti di segnale A e B cambiano in antifase. Il sensore fornisce un livello di segnale di 1,5 V, tenendo conto del limite di carico. Inoltre, quando il dispositivo è inattivo, viene fornito un massimo di 6 V. Il livello di tensione viene misurato in modo differenziale. Nella posizione del ricevitore, il livello minimo del segnale ricevuto deve essere di almeno 200 mV.
Pregiudizio
Quando non c'è segnale sui circuiti di segnale, viene applicato un piccolo offset. Fornisce protezione al ricevitore in caso di falso allarme. Gli esperti consigliano di eseguire un offset di poco superiore a 200 mV, poiché questo valore è considerato corrispondente alla zona inaffidabile del segnale di ingresso secondo lo standard. In tale situazione, il circuito A si avvicina al polo positivo della sorgente e il circuito B viene accostato a quello comune.
Esempio
I valori del resistore sono calcolati in base alla polarizzazione richiesta e alla tensione di alimentazione. Ad esempio, se si desidera ottenere un offset di 250 mV con resistori terminali, RT = 120 ohm. Va notato che la sorgente ha una tensione di 12 V. Tenendo conto del fatto che in questo caso i due resistori sono collegati in parallelo tra loro e non tengono affatto conto del carico dal ricevitore, la corrente di polarizzazione raggiunge 0.0042. Allo stesso tempo, la resistenza di polarizzazione totale è di 2857 ohm. In questo caso Rcm sarà di circa 1400 Ohm. Pertanto, dovrai selezionare la denominazione più vicina. Un esempio potrebbe essere un resistore da 1,5 kΩ. È necessario per lo spostamento. Inoltre, viene utilizzata una resistenza esterna da 12 volt.
Va inoltre notato che il sistema ha un'uscita isolata dall'alimentatore del controller, che è il collegamento principale nel proprio segmento di circuito. È vero, ci sono altre opzioni per eseguire il bias, in cui sono coinvolti il convertitore RS-485 e altri elementi, ma dovresti comunque tenere conto del fatto che il nodo che fornisce il bias a volte si spegne o alla fine viene completamente rimosso dalla rete . Quando esiste la polarizzazione, il potenziale completamente inattivo del circuito A è considerato positivo rispetto al circuito B. Questo funge da guida quando si collegano nuove apparecchiature al cavo senza utilizzare i contrassegni dei fili.
Cablaggio errato e distorsione
L'attuazione delle raccomandazioni sopra indicate consente di ottenere una corretta trasmissione dei segnali elettrici ai diversi punti della rete, quando si utilizza come base il protocollo RS-485. Se almeno uno dei requisiti non è soddisfatto, si verifica una distorsione del segnale. Le distorsioni più evidenti si verificano quando il tasso di scambio delle informazioni è superiore a 1 Mbps. È vero, anche a velocità inferiori, non è consigliabile trascurare questi suggerimenti. Questa regola si applica anche durante il normale funzionamento della rete.
Come programmare?
Quando si programmano varie applicazioni che funzionano con dispositivi utilizzati da uno splitter RS-485 e altri dispositivi con l'interfaccia presentata, è necessario tenere in considerazione diversi punti importanti.
Prima che inizi la consegna del pacco, è indispensabile attivare il trasmettitore. Si segnala che, secondo alcune fonti, l'emissione può essere effettuata subito dopo l'attivazione. Nonostante ciò, alcuni esperti consigliano di mettere prima in pausa, pari nel tempo alla velocità di trasmissione di un frame. Allo stesso tempo, il corretto programma di ricezione può identificare completamente gli errori del processo transitorio, che è in grado di eseguire la procedura di normalizzazione e prepararsi alla successiva ricezione dei dati.
Quando è stato emesso l'ultimo byte di dati, è necessario anche mettere in pausa prima di scollegare il dispositivo RS-485. Ciò è in un certo senso dovuto al fatto che spesso ci sono due registri contemporaneamente nel controller della porta seriale. Il primo è un ingresso parallelo, è progettato per ricevere informazioni. Il secondo è considerato un'uscita di spostamento, viene utilizzato ai fini dell'uscita seriale.
Quando il controllore trasferisce i dati, vengono generati eventuali interrupt quando il registro di ingresso è vuoto. Ciò si verifica quando l'informazione è già stata fornita al registro a scorrimento, ma non è stata ancora emessa. Questo è anche il motivo per cui dopo la fine della trasmissione è necessario mantenere una certa pausa prima di spegnere il trasmettitore. Dovrebbe essere circa 0,5 bit più lungo del frame nel tempo. Quando si eseguono calcoli più accurati, si consiglia di studiare più in dettaglio la documentazione tecnica del controller della porta seriale utilizzato.
È possibile che il trasmettitore, il ricevitore e il convertitore RS-485 siano collegati a una linea comune. Così, anche il proprio ricevitore inizierà a percepire la trasmissione effettuata dal proprio trasmettitore. Accade spesso che in impianti caratterizzati da accessi casuali alla linea, questa caratteristica venga utilizzata per verificare che non vi sia collisione tra due trasmettitori.
Configurazione formato bus
L'interfaccia presentata ha la capacità di combinare i dispositivi nel formato "bus", quando tutte le apparecchiature sono collegate utilizzando una coppia di fili. Ciò implica che la linea di comunicazione deve essere abbinata ai resistori di fine linea delle due estremità. Per garantire ciò, è necessario installare resistori caratterizzati da una resistenza di 620 ohm. Sono sempre montati sul primo e sull'ultimo dispositivo collegato alla linea.
Di norma, i dispositivi moderni hanno un resistore di adattamento integrato. In caso di necessità, può essere collegato alla linea installando un apposito ponticello sulla scheda del dispositivo. Vale la pena notare che lo stato di consegna dei jumper viene impostato per primo, quindi è necessario rimuoverli da tutti i dispositivi tranne il primo e l'ultimo. Va inoltre notato che nei convertitori ripetitore modello S2000-PI per un'uscita separata, la resistenza di adattamento viene attivata tramite un interruttore. Per quanto riguarda i dispositivi S2000-KS e S2000-K, caratterizzati da una resistenza di adattamento incorporata, non è necessario alcun ponticello per collegarlo. Per fornire una lunga linea di comunicazione, è consigliabile utilizzare ripetitori-ripetitori specializzati, che sono pre-equipaggiati con interruttori di direzione di trasmissione completamente automatici.
Configurazione a stella
Tutti i tap sulla linea RS-485 sono considerati indesiderati, in quanto ciò comporterebbe un'eccessiva distorsione del segnale. Anche se, dal punto di vista pratico, è possibile ammetterlo quando c'è una piccola lunghezza del ramo. In questo caso non è necessario installare resistori di terminazione su rami separati.
In un sistema RS-485, dove il controllo è fornito tramite telecomando, quando resistori e dispositivi sono collegati alla stessa linea, ma alimentati da fonti diverse, è necessario combinare i circuiti 0 V di tutti i dispositivi e la console in per raggiungere l'equalizzazione delle loro potenzialità. Quando questo requisito non è soddisfatto, il telecomando è in grado di comunicare in modo intermittente con i dispositivi. Quando si utilizzano cavi con più doppini intrecciati, se necessario è possibile utilizzare una coppia completamente libera per il circuito di equalizzazione del potenziale. Inoltre, è possibile utilizzare un doppino intrecciato schermato se lo schermo non è messo a terra.
Cosa dovrebbe essere considerato?
Nella maggior parte dei casi, la corrente che scorre attraverso il cavo equipotenziale è considerata piuttosto piccola. Se i dispositivi a 0 V o gli stessi alimentatori sono collegati a più bus di terra locali, la differenza di potenziale tra i diversi circuiti a 0 V può raggiungere diverse unità. A volte questo valore è intorno alle decine di volt e la corrente che scorre attraverso il circuito di equalizzazione del potenziale è piuttosto significativa. Questo è spesso il motivo per cui c'è una connessione instabile tra il telecomando e i dispositivi. Di conseguenza, sono persino in grado di fallire.
Pertanto, è necessario escludere la possibilità di mettere a terra il circuito 0 V o di mettere a terra questo circuito in un punto specifico. Inoltre, va considerata la possibilità di un'interconnessione tra 0 V e il circuito di terra di protezione, presente nelle apparecchiature utilizzate nel sistema di allarme. Vale la pena notare che nei siti in cui è caratteristico un ambiente elettromagnetico relativamente severo, è possibile connettersi a questa rete utilizzando un cavo "doppino intrecciato schermato". Resta da sottolineare che in questa situazione potrebbe esserci un intervallo di limitazione più piccolo, poiché la capacità del filo è considerata maggiore.
È facile realizzare progetti utilizzando RS-485 per perdere peso se capisci come risparmiare buona qualità comunicazione. Questo articolo tratta fatti, miti e barzellette crudeli di cui dovresti essere a conoscenza per raggiungere questo obiettivo.
Nei sistemi di automazione industriale e di automazione degli edifici, una serie di dispositivi remoti raccogliere dati che trasmettono e ricevono informazioni attraverso un modulo centrale che fornisce l'accesso ai dati agli utenti e ad altri processori. I data logger ei lettori sono tipici per queste applicazioni. Una linea dati quasi ideale per questo è definita dallo standard RS-485, che collega i dispositivi di acquisizione dati con un cavo a doppino intrecciato.
Poiché molti dei dispositivi di acquisizione e archiviazione dati nelle reti RS-485 sono dispositivi compatti, autonomi e alimentati a batteria, sono necessarie misure per ridurre il consumo energetico per controllare la generazione di calore e aumentare la durata della batteria. Allo stesso modo, il risparmio energetico è importante per i dispositivi indossabili e altre applicazioni in cui l'RS-485 viene utilizzato per scaricare i dati su un'unità di elaborazione centrale.
La sezione successiva è destinata principalmente a coloro che non hanno familiarità con RS-485.
RS-485: storia e descrizione
Lo standard RS-485 è stato sviluppato congiuntamente da due associazioni di produttori: la Electronics Industries Association (EIA) e la Telecommunications Industry Association (TIA). La VIA una volta etichettava tutti i suoi standard con il prefisso "RS" (standard consigliato). Molti ingegneri continuano a utilizzare questa designazione, ma EIA / TIA ha ufficialmente sostituito "RS" con "EIA / TIA" per facilitare l'identificazione dell'origine dei loro standard. Oggi, varie estensioni dello standard RS-485 coprono un'ampia varietà di applicazioni.
RS-485 e RS-422 hanno molto in comune e sono quindi spesso confuse. La tabella 1 li confronta. RS-485, che definisce la comunicazione half-duplex bidirezionale, è l'unico standard EIA/TIA a consentire più ricevitori e driver in configurazioni bus. EIA / TIA-422, invece, definisce un singolo driver multi-ricevitore unidirezionale. Gli elementi RS-485 sono retrocompatibili e intercambiabili con le loro controparti RS-422, tuttavia i driver RS-422 non devono essere utilizzati nei sistemi basati su RS-485 in quanto non possono rinunciare al controllo del bus.
Tabella 1. Standard RS-485 e RS-422
| RS-422 | RS-485 | |
| Ore lavorative | Differenziale | Differenziale |
| Tx e Rx consentiti | 1 Tx, 10 Rx | 32 Tx, 32 Rx |
| Lunghezza massima del cavo | 1200 m | 1200 m |
| Velocità di trasmissione massima | 10 Mbps | 10 Mbps |
| Gamma minima di uscita del driver | ± 2V | ± 1,5 V |
| Gamma di uscita massima del driver | ± 5V | ± 5V |
| Massima corrente di cortocircuito del driver | 150 mA | 250 mA |
| Resistenza di carico Tx | 100 ohm | 54 Ohm |
| Sensibilità ingresso Rx | ± 200 mV | ± 200 mV |
| Impedenza di ingresso massima Rx | 4 kΩ | 12 kΩ |
| Intervallo di tensione di ingresso Rx | ±7V | da -7 V a +12 V |
| Livello logico Rx | > 200 mV | > 200 mV |
| Livello zero logico Rx | < 200 мВ | < 200 мВ |
Protezione ESD
La trasmissione differenziale del segnale nei sistemi basati su RS-485 e RS-422 garantisce una trasmissione dati affidabile in presenza di rumore e gli ingressi differenziali dei loro ricevitori possono anche sopprimere significative tensioni di modo comune. Tuttavia, è necessario adottare misure aggiuntive per proteggere dai livelli di tensione significativamente più elevati comunemente associati alle scariche elettrostatiche (ESD).
La capacità carica del corpo umano consente a una persona di distruggere un circuito integrato semplicemente toccandolo. Tale contatto può facilmente verificarsi durante la posa e il collegamento del cavo di interfaccia. Per proteggersi da tali effetti distruttivi, i chip di interfaccia MAXIM includono "strutture ESD". Queste strutture proteggono le uscite del trasmettitore e gli ingressi del ricevitore nei ricetrasmettitori RS-485 da livelli ESD fino a ± 15 kV.
Per garantire la protezione ESD dichiarata, Maxim testa ripetutamente i pin di alimentazione positivo e negativo in passi da 200 V per verificare la coerenza dei livelli fino a ± 15 kV. I dispositivi di questa classe (che soddisfano il modello del corpo umano o le specifiche IEC 1000-4-2) sono contrassegnati con un suffisso "E" aggiuntivo nella designazione del prodotto.
La capacità di carico di un driver RS-485 / RS-422 è quantificata in termini di carico unitario, che a sua volta è definito come l'impedenza di ingresso di un ricevitore RS-485 standard (12kΩ). Pertanto, il driver RS-485 standard può pilotare 32 carichi unitari (32 carichi paralleli da 12K ohm). Tuttavia, per alcuni ricevitori RS-485, l'impedenza di ingresso è maggiore - 48 kOhm (1/4 unità di carico) o anche 96 kOhm (1/8 unità di carico) - e, di conseguenza, 128 o 256 di tali ricevitori possono essere collegati a uno autobus subito... È possibile collegare qualsiasi combinazione di tipi di ricevitori purché la loro impedenza parallela non superi 32 unità di carico (cioè, l'impedenza totale non è inferiore a 375 ohm).
Conseguenze delle alte velocità
Trasmissioni più veloci richiedono velocità di risposta più elevate all'uscita del driver e queste a loro volta producono livelli più elevati di interferenza elettromagnetica (EMI). Alcuni ricetrasmettitori RS-485 riducono al minimo le interferenze elettromagnetiche limitando le velocità di risposta. Le velocità di risposta più basse aiutano anche a controllare le riflessioni causate da transitori veloci, velocità di trasmissione dati elevate o collegamenti lunghi. La chiave per ridurre al minimo i riflessi è l'uso di resistori di terminazione classificati per adattarsi all'impedenza caratteristica del cavo. Per i cavi RS-485 convenzionali (cavi a doppino intrecciato 24AWG), ciò significa posizionare resistori da 120 ohm a entrambe le estremità della linea di comunicazione.
Dove va tutto il potere?
Un'ovvia fonte di perdita di potenza è la corrente di riposo del ricetrasmettitore (IQ), che è significativamente ridotta nei dispositivi moderni. La tabella 2 confronta le correnti di riposo dei ricetrasmettitori CMOS a bassa potenza con lo standard industriale 75176.
Tabella 2. Confronto delle correnti di dispersione per diversi ricetrasmettitori RS-485
Un'altra caratteristica del consumo di energia dei ricetrasmettitori RS-485 si verifica quando non c'è carico, l'uscita del driver è abilitata e la presenza di un segnale di ingresso periodico. Poiché le linee aperte in RS-485 dovrebbero essere sempre evitate, i driver "martellano" le loro strutture di uscita ogni volta che l'uscita viene commutata. Questa breve accensione di entrambi i transistor di uscita provoca immediatamente una corrente di spunto nell'alimentazione. Un condensatore di ingresso sufficientemente grande smorza questi picchi, producendo una corrente RMS che aumenta con la velocità di trasmissione fino al suo valore massimo. Per i ricetrasmettitori MAX1483, questo massimo è di circa 15 mA.
Il collegamento di un ricetrasmettitore standard RS-485 al carico minimo (un ricetrasmettitore in più, due resistenze di terminazione e due resistenze di protezione) consente di misurare la dipendenza della corrente di alimentazione dal baud rate in condizioni più realistiche. La Figura 2 mostra ICC rispetto alla velocità di trasmissione per il MAX1483 nelle seguenti condizioni: resistori standard da 560 ohm, 120 ohm e 560 ohm, VCC = 5 V, DE = / RE \ = VCC e cavo da 300 m.
Come si vede dalla Figura 2, il consumo di corrente sale a circa 37mA anche a baud rate estremamente bassi; ciò è dovuto principalmente all'aggiunta di resistori di terminazione e resistori di polarizzazione. Per le applicazioni a bassa potenza, ciò dovrebbe dimostrare l'importanza del tipo di negoziazione utilizzato, nonché il modo per ottenere la tolleranza ai guasti. La tolleranza ai guasti è discussa nella sezione successiva e descrizione dettagliata la riconciliazione è disponibile nella sezione "I diabolici scherzi della riconciliazione".
tolleranza ai guasti
Con tensioni agli ingressi dei ricevitori RS-485 nell'intervallo da -200 mV a + 200 mV, lo stato dell'uscita rimane indefinito. In altre parole, se la tensione differenziale lato RS-485 in configurazione half-duplex è 0V e nessuno dei ricetrasmettitori è in testa alla linea (oppure il collegamento è interrotto), allora un uno logico e uno zero logico in uscita sono altrettanto probabile. Per garantire un certo stato all'uscita in tali condizioni, la maggior parte dei moderni ricetrasmettitori RS-485 richiede l'installazione di resistori di polarizzazione: un resistore iniziale di alto livello (pullup) su una linea (A) e un livello basso (pulldown) sull'altro ( B), come mostrato nella Figura 1. Storicamente, i resistori di polarizzazione sono stati classificati a 560 ohm nella maggior parte dei circuiti, ma per ridurre la perdita di potenza (quando si termina solo a un'estremità del collegamento) questo valore può essere aumentato a circa 1,1 kΩ. Alcuni progettisti installano resistori ad entrambe le estremità con valori da 1,1k a 2,2k. Qui devi trovare un compromesso tra immunità al rumore e consumo energetico.
Figura 1. Tre resistori esterni formano un circuito di terminazione e polarizzazione per questo ricetrasmettitore RS-485.
Figura 2. Corrente di alimentazione del ricetrasmettitore MAX1483 rispetto alla velocità di trasmissione.
I produttori di ricetrasmettitori RS-485 in precedenza eliminavano la necessità di resistori di polarizzazione esterni fornendo resistori di polarizzazione positivi interni agli ingressi del ricevitore, ma questo approccio era efficace solo nel risolvere il problema del circuito aperto. I resistori di polarizzazione positivi utilizzati in questi ricevitori pseudo failsafe erano troppo deboli per livellare l'uscita del ricevitore sul bus abbinato. Altri tentativi di evitare l'uso di resistori esterni modificando le soglie del ricevitore su 0 V e -0,5 V hanno violato la specifica RS-485.
La famiglia di ricetrasmettitori MAX3080 e MAX3471 di Maxim ha risolto entrambi questi problemi definendo un intervallo di soglia preciso da -50 mV a -200 mV, eliminando così la necessità di resistori di polarizzazione pur mantenendo la piena conformità allo standard RS-485. Questi circuiti integrati assicurano che un ingresso 0V al ricevitore farà aumentare l'uscita. Inoltre, questo progetto garantisce uno stato di uscita noto del ricevitore per condizioni di linea aperta e chiusa.
Come mostrato nella Tabella 2, i ricetrasmettitori differiscono notevolmente nei valori della corrente di riposo. Pertanto, il primo passo per risparmiare energia dovrebbe essere la scelta di un dispositivo a bassa potenza come il MAX3471 (2,8 μA con driver disabilitato, fino a 64 Kbps). Poiché il consumo di energia aumenta notevolmente durante la trasmissione dei dati, un altro obiettivo è ridurre al minimo l'autonomia del conducente trasmettendo telegrammi brevi (blocchi di dati, ca. Per.) con lunghi periodi di attesa tra di loro. La tabella 3 mostra la struttura di un tipico telegramma seriale.
Tabella 3. Telegramma seriale
Un sistema basato su RS-485 che utilizza ricevitori in un'unità di carico (fino a 32 dispositivi indirizzabili) può, ad esempio, avere i seguenti bit: 5 bit di indirizzo, 8 bit di dati, bit di avvio (tutti i frame), bit di stop (tutti i frame) , bit di parità (opzionale) e bit CRC (opzionale). La lunghezza minima del telegramma per questa configurazione è di 20 bit. Per i trasferimenti sicuri, è necessario inviare informazioni aggiuntive come la dimensione dei dati, l'indirizzo del mittente e la direzione, che aumenteranno la lunghezza del telegramma a 255 byte (2040 bit).
Questa modifica della lunghezza del telegramma, con una struttura definita da standard come X.25, fornisce l'affidabilità dei dati a spese di un aumento del tempo del bus e del consumo di energia. Ad esempio, il trasferimento di 20 bit a 200 kbps richiederebbe 100 µs. Utilizzando il MAX1483 per inviare dati a 200 Kbps al secondo, la corrente media è
(100 μs * 53 mA + (1 s - 100 μs) * 20 μA) / 1 s = 25,3 μA
Quando il ricetrasmettitore è in modalità inattiva, il suo driver deve essere disabilitato per ridurre al minimo il consumo di energia. La tabella 4 mostra l'effetto della lunghezza del telegramma sul consumo di energia di un singolo driver MAX1483 che opera con interruzioni specifiche tra le trasmissioni. L'utilizzo della modalità di spegnimento può ridurre ulteriormente il consumo energetico in un sistema che utilizza la tecnologia di polling a intervalli fissi o intervalli deterministici più lunghi tra le trasmissioni.
Tabella 4. Relazione tra lunghezza del telegramma e consumo di corrente quando si utilizza il driver MAX1483
Oltre a queste considerazioni sul software, l'hardware offre molti posti per il miglioramento della potenza. La Figura 3 confronta le correnti consumate da vari ricetrasmettitori durante la trasmissione di un segnale ad onda quadra su un cavo di 300 metri con driver e ricevitori attivi. Il 75ALS176 e il MAX1483 utilizzano una rete di terminazione standard da 560 / 120 / 560 a entrambe le estremità del collegamento, mentre i dispositivi "true failsafe" (MAX3088 e MAX3471) hanno solo resistori di terminazione da 120 a entrambe le estremità del bus ... A 20 Kbps, il consumo di corrente varia da 12,2 mA (MAX3471 con VCC = 3,3 V) a 70 mA (75ALS176). Pertanto, una significativa riduzione del consumo energetico si verifica immediatamente quando si seleziona un dispositivo a bassa potenza con una funzione di "vero fail-safe", che elimina anche la necessità di installare resistori di polarizzazione (a terra e alla linea di alimentazione VCC). Assicurati che il ricevitore del ricetrasmettitore RS-485 scelto stia emettendo i livelli logici corretti per entrambe le condizioni di circuito aperto e chiuso.
Figura 3. I microcircuiti del ricetrasmettitore differiscono notevolmente nella dipendenza del consumo di corrente dalla velocità di trasferimento dei dati.
Brutti scherzi di allineamento
Come notato sopra, i resistori di terminazione eliminano i riflessi causati dal disadattamento di impedenza, ma lo svantaggio è la dissipazione di potenza aggiuntiva. La loro influenza è mostrata nella Tabella 5, che mostra le correnti di consumo per vari ricetrasmettitori (con un driver attivo) per condizioni senza resistori, utilizzando solo resistori di terminazione e anche una combinazione di resistori di terminazione e resistori di polarizzazione di protezione.
Tabella 5. L'uso di resistori di terminazione e resistori di polarizzazione aumenta il consumo di corrente
| MAX1483 | MAX3088 | MAX3471 | SN75ALS176 | |
| I VCC (no RT) | 60 μA | 517 μA | 74 μA | 22 μA |
| I VCC (RT = 120) | 24 μA | 22,5 μA | 19,5 μA | 48 μA |
| I VCC (RT = 560-120-560) | 42 μA | N / A | N / A | 70 μA |
Elimina la negoziazione
Il primo modo per ridurre il consumo di energia è eliminare del tutto i resistori di terminazione. Questa opzione è possibile solo per collegamenti brevi e velocità dati basse, che consentono di calmare le riflessioni anche prima che i dati vengano elaborati dal ricevitore. Come dimostra la pratica, l'adattamento non è necessario se il tempo di salita del segnale è almeno quattro volte il tempo di ritardo della propagazione del segnale unidirezionale attraverso il cavo. I seguenti passaggi utilizzano questa regola per calcolare la lunghezza massima consentita di un cavo non abbinato:
Pertanto, il MAX3471 può fornire una qualità del segnale decente durante la trasmissione e la ricezione a 64 Kbps su un cavo di 38 m senza resistori di terminazione. La Figura 4 mostra la drastica riduzione del consumo del MAX3471 ottenuta quando vengono utilizzati 30 metri di cavo senza resistore di terminazione invece di 300 metri di cavo e 120 resistori di terminazione.
Figura 4. Resistenze di terminazione: il consumatore di alimentazione principale.
Corrispondenza RC
A prima vista, la capacità della terminazione RC di bloccare la corrente CC è molto promettente. Scoprirai, tuttavia, che questa tecnica impone determinate condizioni. La terminazione consiste in una rete serie RC in parallelo con gli ingressi differenziali del ricevitore (A e B), come mostrato in Figura 5. Sebbene R sia sempre uguale all'impedenza caratteristica del cavo (Z 0), la scelta di C richiede alcuni considerazione. Un valore C grande fornisce una buona corrispondenza, consentendo a qualsiasi segnale di vedere una R che corrisponde a Z0, ma un valore elevato aumenta anche la corrente di uscita di picco del driver. Sfortunatamente, i cavi più lunghi richiedono valori C più alti. Interi articoli sono stati dedicati alla determinazione della classificazione C per ottenere questo compromesso. Puoi trovare equazioni dettagliate su questo argomento nei tutorial collegati alla fine di questo articolo.
Figura 5. La corrispondenza RC riduce il consumo energetico, ma richiede un'attenta selezione del valore C.
La tensione media del segnale è un altro fattore importante che spesso viene trascurato. A meno che la tensione media del segnale non sia bilanciata in CC, l'effetto di gradino CC provoca un jitter significativo a causa di un effetto noto come "interferenza intersimbolica". In breve, l'adattamento RC è efficace nel ridurre il consumo energetico, ma tende a degradare la qualità del segnale. Poiché la negoziazione RC impone così tante restrizioni al suo utilizzo, la migliore alternativa in molti casi è non negoziare affatto.
Corrispondenza diodi Schottky
I diodi Schottky offrono un metodo di corrispondenza alternativo quando l'elevato consumo energetico è un problema. A differenza di altri tipi di terminazione, i diodi Schottky non tentano di adeguarsi all'impedenza del bus. Invece, sopprimono semplicemente i picchi positivi e negativi causati dalle riflessioni. Di conseguenza, le variazioni di tensione sono limitate alla tensione di soglia positiva e zero.
Il circuito di adattamento Schottky spreca poca energia perché conducono solo in presenza di picchi positivi e negativi. D'altra parte, la terminazione resistiva standard (con o senza resistori di polarizzazione) dissipa costantemente potenza. La Figura 6 illustra l'uso dei diodi Schottky per combattere le riflessioni. I diodi Schottky non forniscono un funzionamento a prova di guasto, tuttavia, i livelli di tensione di soglia selezionati nei ricetrasmettitori MAX308X e MAX3471 consentono il funzionamento a prova di guasto con questo tipo di terminazione.
Figura 6. Nonostante il costo elevato, il circuito di adattamento del diodo Schottky presenta molti vantaggi.
Il diodo Schottky, la migliore approssimazione disponibile per un diodo ideale (tensione diretta zero Vf, tempo di accensione zero tON e tempo di ripristino inverso zero trr), è di grande interesse come sostituto dei resistori di terminazione affamati di energia. Lo svantaggio di questa corrispondenza nei sistemi basati su RS-485 / RS-422 è che i diodi Schottky non possono sopprimere tutte le riflessioni. Una volta che il segnale riflesso decade al di sotto della tensione diretta del diodo Schottky, la sua energia rimarrà inalterata dai diodi corrispondenti e rimarrà fino a quando non verrà dissipata dal cavo. Il fatto che questo disturbo persistente sia significativo o meno dipende dall'ampiezza del segnale agli ingressi del ricevitore.
Il principale svantaggio di Schottky Terminator è il suo costo. Un punto di terminazione richiede due diodi. Poiché il bus RS-485 / RS-422 è differenziale, questo numero viene nuovamente moltiplicato per due (Figura 6). L'uso di terminatori Schottky multidimensionali sul bus non è insolito.
I terminatori a diodi Schottky offrono molti vantaggi per i sistemi basati su RS-485 / RS-422 e il risparmio energetico è il principale (Figura 7). Non è necessario calcolare nulla poiché la lunghezza del cavo specificata e i limiti di velocità di trasmissione verranno raggiunti prima di qualsiasi limite di terminazione Schottky. Un altro vantaggio è che più terminatori Schottky in diverse prese e sugli ingressi del ricevitore migliorano la qualità del segnale senza caricare il bus di comunicazione.
Figura 7. Il consumo di corrente nei sistemi RS-485 dipende fortemente dalla velocità di trasmissione e dal tipo di terminazione.
Riassumendo
Quando la velocità di trasferimento dei dati è elevata e il cavo è lungo, è difficile fornire un consumo energetico estremamente basso nel sistema RS-485 (nell'originale "potenza delle pulci" - Ca. Per.), Poiché diventa necessario installare dispositivi corrispondenti sulla linea di comunicazione (terminatori). In questo caso, i ricetrasmettitori true-to-noise alle uscite del ricevitore possono risparmiare energia anche con i terminatori, eliminando la necessità di resistori di polarizzazione. La comunicazione software può anche aiutare a ridurre il consumo energetico mettendo il ricetrasmettitore in uno stato disabilitato o disabilitando il driver quando non è in uso.
Per velocità inferiori e cavi più corti, la differenza nel consumo energetico è enorme: la trasmissione di dati a 60 Kbps su un cavo di 30 m utilizzando un ricetrasmettitore standard SN75ALS176 con resistori di terminazione da 120 richiederà 70 mA di alimentazione dal sistema di alimentazione. D'altra parte, l'utilizzo del MAX3471 nelle stesse condizioni richiederebbe solo 2,5 mA dall'alimentatore.
RS-485 è uno standard adottato per la prima volta dalla Electronics Industries Association. Attualmente, questo standard si occupa delle caratteristiche elettriche di tutti i tipi di ricevitori e trasmettitori utilizzati in vari sistemi digitali bilanciati.
Tra gli specialisti RS-485 è il nome di un'interfaccia abbastanza popolare, che viene utilizzata attivamente in vari sistemi di controllo industriale per collegare tra loro diversi controller e molti altri dispositivi. La principale differenza tra questa interfaccia e la non meno comune RS-232 è che prevede la combinazione di più tipi di apparecchiature contemporaneamente.
Con l'aiuto di RS-485, lo scambio di informazioni ad alta velocità tra più dispositivi è fornito attraverso un unico linea a due fili comunicazione in modalità half duplex. È ampiamente utilizzato nell'industria moderna nel processo di formazione di un sistema di controllo di processo.
Con l'aiuto di questo standard, le informazioni vengono trasmesse a una velocità fino a 10 Mbit / s, mentre l'intervallo massimo possibile dipenderà direttamente dalla velocità con cui vengono trasmessi i dati. Pertanto, per garantire la massima velocità, i dati possono essere trasmessi non oltre i 120 metri, mentre a una velocità di 100 kbit/s le informazioni vengono trasmesse oltre i 1200 metri.
Il numero di dispositivi che l'interfaccia RS-485 può combinare dipenderà direttamente dai ricetrasmettitori utilizzati nel dispositivo. Ogni trasmettitore è progettato per controllare contemporaneamente 32 ricevitori standard, tuttavia, è necessario comprendere che esistono ricevitori la cui impedenza di ingresso è del 50%, 25% o anche inferiore allo standard e, se viene utilizzata tale apparecchiatura, il numero totale di dispositivi sarà aumentare di conseguenza.
Il cavo RS-485 non standardizza alcun formato specifico di frame di informazioni o protocollo di scambio. Nella stragrande maggioranza dei casi, vengono utilizzati esattamente gli stessi frame utilizzati da RS-232, ovvero bit di dati, bit di arresto e di avvio, nonché un bit di parità, se necessario.
Il funzionamento dei protocolli di scambio nei sistemi più moderni avviene secondo il principio "master-slave", ovvero qualche dispositivo in rete è il master e prende l'iniziativa di scambiare richieste di invio tra tutti i dispositivi slave che differiscono tra loro per indirizzi logici. Il protocollo più popolare oggi è Modbus RTU.
Vale la pena notare che anche il cavo RS-485 non ha alcun tipo specifico di connettori o cablaggi, cioè potrebbero esserci connettori terminali, DB9 e altri.
Molto spesso, utilizzando questa interfaccia, esiste una rete locale che combina più ricetrasmettitori contemporaneamente.
Quando si effettua una connessione RS-485, è necessario combinare con competenza i circuiti di segnale tra loro, solitamente chiamati A e B. In questo caso, l'inversione di polarità non è così terribile, solo i dispositivi collegati non funzioneranno.
Quando si utilizza l'interfaccia RS-485, è necessario considerare diverse caratteristiche del suo funzionamento:
L'utilizzo di resistori terminali, standard o USB RS-485 fornisce la piena corrispondenza dell'estremità aperta del cavo con la linea successiva, eliminando completamente la possibilità di riflessione del segnale.
La resistenza nominale dei resistori corrisponde all'impedenza caratteristica del cavo e per quei cavi che si basano su doppino intrecciato, nella maggior parte dei casi è di circa 100-120 Ohm. Ad esempio, il cavo UTP-5, che è molto popolare oggi, che viene utilizzato attivamente nel processo di posa di Ethernet, ha un'impedenza caratteristica di 100 Ohm. Per altre opzioni di cavo, è possibile utilizzare un'altra classificazione.
I resistori, se necessario, possono essere saldati sui contatti dei connettori dei cavi già nei dispositivi finali. Raramente sono installati resistori nel dispositivo stesso, per cui è necessario installare ponticelli per collegare il resistore. In questo caso, se il dispositivo è scollegato, la linea è completamente disadattata. E per garantire il normale funzionamento del resto del sistema, è necessario collegare una spina corrispondente.
La porta RS-485 utilizza uno schema di trasmissione dati bilanciato, ovvero i livelli di tensione sui circuiti di segnale A e B cambieranno in antifase.
Il sensore dovrebbe fornire un livello di segnale di 1,5 V a pieno carico e non più di 6 V se il dispositivo è al minimo. Il livello di tensione viene misurato in modo differenziale, ciascun filo di segnale rispetto all'altro.
Dove si trova il ricevitore, il livello minimo del segnale ricevuto deve essere comunque di almeno 200 mV.
Nel caso in cui non ci sia segnale sui circuiti di segnale, si verifica una leggera polarizzazione che protegge il ricevitore da falsi allarmi.
Gli esperti raccomandano un offset di poco superiore a 200 mV, poiché questo valore corrisponde alla zona di inaffidabilità del segnale di ingresso secondo lo standard. In questo caso il circuito A viene accostato al polo positivo della sorgente, mentre il circuito B viene accostato al comune.
In base alla polarizzazione e alla tensione richieste dell'alimentatore, viene eseguito il calcolo. Ad esempio, se si desidera ottenere un offset di 250 mV quando si utilizzano resistori terminali RT = 120 Ohm, dato che la sorgente ha una tensione di 12 V. Considerando che in questo caso due resistori sono collegati in parallelo tra loro senza tener conto del carico del ricevitore, la corrente di polarizzazione è 0,0042 A, mentre la resistenza totale del circuito di polarizzazione è 2857 ohm. R cm in questo caso sarà di circa 1400 ohm, quindi è necessario scegliere un valore più vicino.
Ad esempio, utilizzeremo un resistore di polarizzazione da 1,5k e un resistore esterno da 12 volt. Inoltre, il nostro sistema ha un'uscita isolata dall'alimentatore del controller, che è il collegamento principale nel suo segmento del circuito.
Naturalmente, ci sono molte altre opzioni per l'implementazione del bias, in cui vengono utilizzati un convertitore RS-485 e altri elementi, ma in ogni caso, quando si posizionano circuiti di bias, è necessario tenere conto del fatto che il nodo che lo fornirà si spegnerà periodicamente o alla fine potrà essere completamente rimosso dalla rete.
Se è presente la polarizzazione, il potenziale completamente inattivo del circuito A è positivo rispetto al circuito B, che è una linea guida se un nuovo dispositivo verrà collegato a un cavo senza segni di filo.
L'implementazione delle raccomandazioni di cui sopra consente di ottenere la normale trasmissione di segnali elettrici a vari punti della rete, se come base viene utilizzato il protocollo RS-485. Se almeno alcuni dei requisiti non vengono soddisfatti, si verificherà una distorsione del segnale. Le distorsioni più evidenti iniziano a manifestarsi quando il tasso di scambio dati supera 1 Mbit/s, ma di fatto, anche in caso di velocità inferiori, è fortemente sconsigliato ignorare queste raccomandazioni, anche se la rete sta “funzionando normalmente”.
Ci sono diversi punti importanti da tenere a mente quando si programmano varie applicazioni che funzionano con dispositivi che utilizzano uno splitter RS-485 e altri dispositivi con questa interfaccia. Elenchiamoli:
Questa interfaccia prevede la possibilità di combinare i dispositivi in formato "bus", quando tutti i dispositivi sono collegati tramite un'unica coppia di fili. In questo caso la linea di comunicazione deve essere abbinata alle resistenze di fine linea dei due capi.
Per garantire l'abbinamento, in questo caso sono installati resistori con una resistenza di 620 ohm. Vengono sempre installati sul primo e sull'ultimo dispositivo connesso alla linea. Nella maggior parte dei dispositivi moderni, è presente anche una resistenza di corrispondenza incorporata, che, se necessario, può essere inclusa nella linea installando un ponticello speciale sulla scheda del dispositivo.
Poiché i jumper sono inizialmente installati allo stato di consegna, è necessario prima rimuoverli da tutti i dispositivi, rispettivamente, ad eccezione del primo e dell'ultimo collegati alla linea. Nei convertitori ripetitori modello S2000-PI per ogni singola uscita, la resistenza di adattamento viene attivata tramite un interruttore, mentre i dispositivi S2000-KS e S2000-K sono caratterizzati da una resistenza di adattamento incorporata, per cui si ha nessun ponticello richiesto per collegarlo.
Per fornire una linea di comunicazione più lunga, si consiglia di utilizzare ripetitori-ripetitori specializzati dotati di commutazione della direzione di trasmissione completamente automatica.
Eventuali prese sulla linea RS-485 sono indesiderabili, perché in questo caso c'è una distorsione del segnale abbastanza forte, ma da un punto di vista pratico possono essere tollerate se c'è una breve lunghezza della presa. In questo caso non è necessario installare resistenze di terminazione su rami separati.
In un sistema di distribuzione RS-485, controllato dalla console, se quest'ultima e i dispositivi sono collegati alla stessa linea, ma alimentati da fonti diverse, sarà necessario combinare i circuiti 0 V di tutti i dispositivi e la console al fine di garantire la loro potenziale perequazione. Se questo requisito non viene soddisfatto, il telecomando potrebbe avere una connessione instabile con i dispositivi. Se deve essere utilizzato un cavo con più doppini intrecciati, è possibile utilizzare una coppia completamente libera per il circuito di equalizzazione del potenziale, se necessario. Tra le altre cose, è anche possibile utilizzare un doppino schermato se la schermatura non è collegata a terra.
Nella stragrande maggioranza, la corrente che passa attraverso il cavo di equalizzazione del potenziale è piuttosto piccola, tuttavia, se 0 V di dispositivi o gli alimentatori stessi sono collegati a più bus di terra locali, la differenza di potenziale tra i diversi circuiti a 0 V può essere di diverse unità , e in alcuni casi anche decine di volt, mentre la corrente che scorre attraverso il circuito di equalizzazione del potenziale può essere piuttosto significativa. Questo è un motivo comune per cui c'è una connessione instabile tra il telecomando e i dispositivi, a causa della quale potrebbero anche non funzionare.
È per questo motivo che è necessario escludere la possibilità di mettere a terra il circuito 0 V, o, al massimo, mettere a terra questo circuito in un certo punto. È inoltre necessario considerare la possibilità di interconnessione tra 0 V e il circuito di terra di protezione, presente nell'apparecchiatura utilizzata nel sistema di allarme.
A oggetti caratterizzati da un ambiente elettromagnetico piuttosto severo, è possibile collegare questa rete tramite un cavo "doppino intrecciato schermato". In questo caso, potrebbe essere presente un intervallo più corto poiché la capacità del cavo è maggiore.
Per applicazioni industriali, wireless linee dati non potrà mai sostituire completamente cablato... Tra questi ultimi, il più comune e affidabile è ancora interfaccia seriale
Rs
-485
... E il produttore del più protetto da influenze esterne e vario nella configurazione e nel grado di integrazione dei ricetrasmettitori per lui, a sua volta, rimane l'aziendaMassima
Integrato
.
Nonostante la crescente popolarità delle reti wireless, la comunicazione più affidabile e stabile, soprattutto in condizioni operative difficili, è fornita da quelle cablate. Reti cablate ben progettate consentono una comunicazione efficiente nelle applicazioni industriali e nei sistemi di controllo industriali, garantendo al contempo l'immunità a interferenze, scariche elettrostatiche e sovratensioni. Le caratteristiche distintive dell'interfaccia RS-485 hanno portato al suo uso diffuso nel settore.
Il ricetrasmettitore RS-485 è l'interfaccia di livello fisico più comune per reti di dati seriali per applicazioni industriali e di gestione degli edifici difficili. Questo standard di interfaccia seriale consente la comunicazione ad alta velocità su una distanza relativamente lunga su una singola linea differenziale (doppino intrecciato). Il problema principale dell'utilizzo dell'RS-485 nell'industria e nei sistemi di gestione automatizzata degli edifici è che i transitori elettrici derivanti dalla commutazione rapida di carichi induttivi, scariche elettrostatiche e sovratensioni, che agiscono sulle reti dei sistemi di controllo automatizzati, possono distorcere il segnale trasmesso dati o portare al loro fallimento.
Attualmente esistono diversi tipi di interfacce di trasferimento dati, ognuna delle quali è progettata per applicazioni specifiche, tenendo conto del set di parametri e della struttura del protocollo richiesti. Le interfacce seriali includono CAN, RS-232, RS-485 / RS-422, I 2 C, I 2 S, LIN, SPI e SMBus, tuttavia RS-485 e RS-422 sono ancora le più affidabili. condizioni.
Le interfacce RS-485 e RS-422 sono simili sotto molti aspetti, tuttavia presentano alcune differenze significative che devono essere prese in considerazione durante la progettazione dei sistemi di trasmissione dati. In conformità con lo standard TIA / EIA-422, l'interfaccia RS-422 è specificata per applicazioni industriali con un master bus dati a cui possono essere collegati fino a 10 slave (Figura 1). Fornisce la trasmissione a velocità fino a 10 Mbps utilizzando un cavo a doppino intrecciato, che migliora l'immunità al rumore e raggiunge il raggio e la velocità di trasmissione dei dati più elevati possibili. Le applicazioni tipiche dell'RS-422 sono l'automazione dei processi industriali (produzione chimica, industria alimentare, cartiere), automazione della produzione integrata (industria automobilistica e metalmeccanica), sistemi di ventilazione e condizionamento dell'aria, sistemi di sicurezza, controllo motore e controllo del movimento degli oggetti.
RS-485 offre una maggiore flessibilità consentendo più master su un bus comune e aumentando il numero massimo di dispositivi sul bus da 10 a 32. Secondo lo standard TIA / EIA-485, RS-485 ha una tensione di modo comune più ampia (-7 ... 12 V invece di ± 7 V) e un intervallo di tensione differenziale leggermente inferiore (± 1,5 V invece di ± 2 V), che garantisce un livello del segnale del ricevitore sufficiente al massimo carico di linea. Utilizzando le funzionalità avanzate del bus dati multidrop, è possibile creare reti di dispositivi collegati ad uno porta seriale RS-485. Grazie alla sua elevata immunità al rumore e alla capacità multi-drop, RS-485 è la migliore interfaccia seriale per l'uso in sistemi distribuiti industriali collegati a un controller logico programmabile (PLC), controller grafico (HMI) o altri controller di acquisizione dati. Poiché RS-485 è una versione estesa di RS-422, tutti i dispositivi RS-422 possono essere collegati a un bus controllato da un master RS-485. Le applicazioni tipiche per RS-485 sono simili a quelle sopra elencate per RS-422, con un uso più frequente di RS-485 grazie alle sue capacità avanzate.
Lo standard TIA / EIA-485 consente l'uso di RS-485 a una distanza fino a 1200 m. A distanze inferiori, la velocità dei dati è superiore a 40 Mbps. L'utilizzo di un segnale differenziale fornisce all'interfaccia RS-485 una portata maggiore, ma la velocità di trasmissione diminuisce all'aumentare della lunghezza della linea. La velocità di trasmissione è anche influenzata dall'area della sezione trasversale dei fili di linea e dal numero di dispositivi ad essa collegati. Si consiglia di utilizzare ricetrasmettitori RS-485 con una funzione di correzione dell'alta frequenza incorporata, come il MAX3291, se è necessario ottenere velocità di trasferimento dati sia a lungo raggio che elevate. L'interfaccia RS-485 può essere utilizzata in modalità half duplex utilizzando un doppino intrecciato o in modalità full duplex con trasmissione e ricezione simultanee dei dati, che viene fornita utilizzando due doppini intrecciati (quattro fili). In una configurazione multidrop in modalità half duplex, RS-485 è in grado di supportare fino a 32 trasmettitori e fino a 32 ricevitori. Tuttavia, i circuiti integrati del ricetrasmettitore di nuova generazione hanno un'impedenza di ingresso più elevata, che può ridurre il carico della linea del ricevitore da 1/4 a 1/8 del valore standard. Ad esempio, utilizzando il ricetrasmettitore MAX13448E, il numero di ricevitori collegati al bus RS-485 può essere aumentato a 256. Con l'interfaccia multidrop RS-485 avanzata, è possibile collegare in rete più dispositivi collegati alla stessa porta seriale, come mostrato in Figura 2.
La sensibilità del ricevitore è ± 200 mV. Pertanto, per riconoscere un bit di dati, i livelli del segnale nel punto di connessione del ricevitore devono essere maggiori di +200 mV per zero e inferiori a -200 mV per l'unità (Figura 3). In questo caso, il ricevitore sopprimerà le interferenze, il cui livello è nell'intervallo di ± 200 mV. La linea differenziale fornisce anche un'efficace reiezione di modo comune. L'impedenza di ingresso minima del ricevitore è 12 kΩ, la tensione di uscita del trasmettitore è nell'intervallo ± 1,5 ... ± 5 V.
I progettisti di sistemi industriali devono affrontare le scoraggianti sfide di garantire un funzionamento affidabile in un ambiente elettromagnetico che può danneggiare le apparecchiature o interrompere i sistemi di trasmissione di dati digitali. Un esempio di tali sistemi è il controllo automatico delle apparecchiature tecnologiche in un'impresa industriale automatizzata. Il controller che controlla il processo ne misura i parametri, nonché i parametri ambientali, e trasmette i comandi ai dispositivi esecutivi o genera notifiche di emergenza. I controller industriali sono, di regola, dispositivi a microprocessore, la cui architettura è ottimizzata per risolvere i problemi di una determinata impresa industriale. Le linee dati punto-punto in tali sistemi sono soggette a forti interferenze elettromagnetiche dall'ambiente.
I convertitori CC/CC industriali funzionano con tensioni di ingresso elevate e forniscono tensioni isolate dall'ingresso per alimentare il carico. Per alimentare i dispositivi di un sistema distribuito che non dispongono di una propria alimentazione di rete, vengono utilizzate tensioni di 24 o 48 V DC. Il carico terminale è alimentato con 12 o 5 V, ottenuti convertendo la tensione di ingresso. I sistemi che comunicano con sensori o attuatori remoti richiedono protezione da transitori, interferenze elettromagnetiche e differenze di potenziale di terra.
Molte aziende, come Maxim Integrated, fanno di tutto per garantire che i circuiti integrati per applicazioni industriali siano altamente affidabili e resistenti agli ambienti elettromagnetici difficili. I ricetrasmettitori RS-485 di Maxim sono dotati di ESD ad alta tensione e protezione contro le sovratensioni integrate e sono sostituibili a caldo senza perdita di dati sulla linea.
La scarica elettrostatica (ESD) si verifica quando due materiali di carica opposta entrano in contatto, trasferendo così le cariche statiche e formando una scarica di scintille. L'ESD si verifica spesso quando le persone entrano in contatto con oggetti intorno a loro. Le scariche di scintille derivanti dalla manipolazione incauta dei dispositivi a semiconduttore possono degradare notevolmente le loro caratteristiche o portare alla completa distruzione della struttura del semiconduttore. L'ESD può verificarsi, ad esempio, durante la sostituzione di un cavo o semplicemente toccando una porta I/O e causare la disattivazione della porta a causa del guasto di uno o più chip di interfaccia (Figura 4).
Tali incidenti possono portare a perdite significative, poiché aumentano il costo delle riparazioni in garanzia e sono percepiti dai consumatori come conseguenza della scarsa qualità del prodotto. Nella produzione industriale, l'ESD è un problema serio con il potenziale di causare perdite di miliardi di dollari all'anno. In condizioni reali, l'ESD può portare al guasto di singoli componenti e talvolta dell'intero sistema. È possibile utilizzare diodi esterni per proteggere le interfacce dati, ma alcuni circuiti integrati di interfaccia contengono componenti di protezione ESD integrati e non richiedono circuiti di protezione esterni aggiuntivi. La Figura 5 mostra uno schema funzionale semplificato di un tipico circuito di protezione ESD integrato. Gli impulsi della linea di segnale sono limitati dalla protezione a diodi alla tensione di alimentazione V CC e massa, proteggendo così l'interno del circuito da danni. I chip di interfaccia attualmente prodotti e gli interruttori analogici con protezione ESD integrata sono generalmente conformi allo standard IEC 61000-4-2.
Maxim Integrated ha investito molto nello sviluppo di chip con una robusta protezione ESD integrata ed è attualmente leader nei ricetrasmettitori da RS-232 a RS-485. Questi dispositivi resistono agli impulsi di test ESD IEC 61000-4-2 e JEDEC JS-001 direttamente sulle porte I/O. Le soluzioni ESD di Maxim sono affidabili, convenienti, non hanno componenti esterni aggiuntivi e sono meno costose della maggior parte delle altre soluzioni. Tutti i microcircuiti di interfaccia prodotti da questa azienda contengono elementi integrati che forniscono protezione di ogni uscita da ESD che si verificano durante la produzione e il funzionamento. La famiglia di ricetrasmettitori MAX3483AE / MAX3485AE protegge le uscite del trasmettitore e gli ingressi del ricevitore da impulsi ad alta tensione fino a ± 20 kV. Allo stesso tempo, viene mantenuta la normale modalità operativa dei prodotti, non è necessario spegnere e riaccendere l'alimentazione. Inoltre, le funzioni di protezione ESD integrate forniscono accensione/spegnimento e funzionamento in standby a basso consumo.
Nelle applicazioni industriali, gli ingressi e le uscite dei driver RS-485 sono soggetti a guasti dovuti a picchi di tensione. I parametri della tensione di picco sono diversi dall'ESD: mentre la durata dell'ESD è solitamente nell'intervallo fino a 100 ns, la durata delle tensioni di picco può essere di 200 μs o più. Le sovratensioni possono essere causate da errori di cablaggio, collegamenti scadenti, cavi danneggiati o difettosi e gocce di saldatura che possono formare una connessione conduttiva tra le linee di alimentazione e di segnale su un PCB o un connettore. Poiché i sistemi di alimentazione industriali utilizzano tensioni superiori a 24 V, l'esposizione di ricetrasmettitori RS-485 standard non protetti da sovratensioni a tali tensioni li danneggerà in pochi minuti o addirittura secondi. Per proteggere dalle sovratensioni, i chip di interfaccia RS-485 convenzionali richiedono costosi dispositivi esterni basati su componenti discreti. I ricetrasmettitori RS-485 con protezione da sovratensione incorporata possono gestire fino a ± 40, ± 60 e ± 80 V di disturbo della linea dati di modo comune. Maxim produce una linea di ricetrasmettitori RS-485 / RS-422 MAX13442E… MAX13444E che resiste alla corrente continua tensioni di ingresso e uscite fino a ± 80 V rispetto a terra. Le funzioni di protezione operano indipendentemente dallo stato attuale del chip, che sia acceso, spento o in modalità standby, rendendo questi ricetrasmettitori i più affidabili del settore, ideali per le applicazioni industriali. I ricetrasmettitori Maxim sopravvivono alle sovratensioni causate da cortocircuiti nelle linee di alimentazione e di segnale, errori di cablaggio, collegamenti a spina impropri, cavi difettosi e uso improprio.
Una caratteristica importante dei microcircuiti di interfaccia RS-485 è l'immunità dei ricevitori a stati di linea indefiniti, che garantisce l'impostazione di un livello logico alto all'uscita del ricevitore quando gli ingressi sono aperti o chiusi, nonché quando tutti i trasmettitori collegati al la linea va in modalità inattiva (stato di alta impedenza delle uscite). Il problema della corretta percezione da parte del ricevitore dei segnali di linea dati chiusa viene risolto spostando le soglie del segnale di ingresso a tensioni negative di -50 e -200 mV. Se la tensione differenziale di ingresso del ricevitore V A - V B è maggiore o uguale a -50 mV, l'uscita R 0 viene impostata su un livello alto. Se V A - V B è minore o uguale a -200 mV, l'uscita R 0 è impostata su un livello basso. Quando tutti i trasmettitori passano allo stato inattivo e c'è una terminazione sulla linea, la tensione di ingresso differenziale del ricevitore è vicina allo zero, per cui l'uscita del ricevitore diventa alta. In questo caso, il margine di immunità al rumore all'ingresso è di 50 mV. A differenza dei ricetrasmettitori della precedente generazione, le soglie di -50 e -200 mV corrispondono ai valori di ±200 mV impostati dallo standard EIA/TIA-485.
