Разница между rs232 и rs485. Приемопередатчики MAXIM для индустриальных интерфейсов – обзор новинок. Защита систем передачи данных от неблагоприятных внешних воздействий

Интерфейсы RS-485 и RS-422 описаны в стандартах ANSI EIA/TIA -485-А и EIA/TIA-422. Интерфейс RS-485 является наиболее распространенным в промышленной автоматизации. Его используют промышленные сети Modbus , Profibus DP, ARCNET, BitBus, WorldFip, LON, Interbus и множество нестандартных сетей. Связано это с тем, что по всем основным показателям данный интерфейс является наилучшим из всех возможных при современном уровне развития технологии. Основными его достоинствами являются:

двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов;
работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же линии, т. е. возможность организации сети;
большая длина линии связи;
достаточно высокая скорость передачи.

2.3.1. Принципы построения

Дифференциальная передача сигнала

В основе построения интерфейса RS -485 лежит дифференциальный способ передачи сигнала, когда напряжение, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отсчитывается не от "земли", а измеряется как разность потенциалов между двумя передающими линиями: Data + и Data - (рис. 2.1). При этом напряжение каждой линии относительно "земли" может быть произвольным, но не должно выходить за диапазон -7...+12 В [ - TIA ].

Приемники сигнала являются дифференциальными, т.е. воспринимают только разность между напряжениями на линии Data + и Data -. При разности напряжений более 200 мВ, до +12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы, при напряжении менее -200 мВ, до -7 В - логического нуля. Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в соответствии со стандартом должно быть не менее 1,5 В, поэтому при пороге срабатывания приемника 200 мВ помеха (в том числе падение напряжения на омическом сопротивлении линии) может иметь размах 1,3 В над уровнем 200 мВ. Такой большой запас необходим для работы на длинных линиях с большим омическим сопротивлением. Фактически, именно этот запас по напряжению и определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).

Благодаря симметрии линий относительно "земли" в них наводятся помехи, близкие по форме и величине. В приемнике с дифференциальным входом сигнал выделяется путем вычитания напряжений на линиях, поэтому после вычитания напряжение помехи оказывается равным нулю. В реальных условиях, когда существует небольшая асимметрия линий и нагрузок, помеха подавляется не полностью, но ослабляется существенно.

Для минимизации чувствительности линии передачи к электромагнитной наводке используется витая пара проводов. Токи, наводимые в соседних витках вследствие явления электромагнитной индукции, по "правилу буравчика" оказываются направленными навстречу друг-другу и взаимно компенсируются. Степень компенсации определяется качеством изготовления кабеля и количеством витков на единицу длины.

"Третье" состояние выходов

Рис. 2.1. Соединение трех устройств с интерфейсом RS -485 по двухпроводной схеме

Второй особенностью передатчика D (D - "Driver ") интерфейса RS -485 является возможность перевода выходных каскадов в "третье" (высокоомное) состояние сигналом (Driver Enable ) (рис. 2.1). Для этого запираются оба транзистора выходного каскада передатчика. Наличие третьего состояния позволяет осуществить полудуплексный обмен между любыми двумя устройствами, подключенными к линии, всего по двум проводам. Если на рис. 2.1 передачу выполняет устройство , а прием - устройство , то выходы передатчиков и переводятся в высокоомное состояние, т. е. фактически к линии оказываются подключены только приемники, при этом выходное сопротивление передатчиков и не шунтирует линию.

Перевод передатчика интерфейса в третье состояние осуществляется обычно сигналом RTS (Request To Send ) СОМ-порта.

Четырехпроводной интерфейс

Интерфейс RS -485 имеет две версии: двухпроводную и четырехпроводную . Двухпроводная используется для полудуплексной передачи (рис. 2.1), когда информация может передаваться в обоих направлениях, но в разное время. Для полнодуплексной (дуплексной ) передачи используют четыре линии связи: по двум информация передается в одном направлении, по двум другим - в обратном (рис. 2.2).

Недостатком четырехпроводной (рис. 2.2) схемы является необходимость жесткого указания ведущего и ведомых устройств на стадии проектирования системы, в то время как в двухпроводной схеме любое устройство может быть как в роли ведущего, так и ведомого. Достоинством четырехпроводной схемы является возможность одновременной передачи и приема данных, что бывает необходимо при реализации некоторых сложных протоколов обмена.

Режим приема эха

Рис. 2.2. Четырехпроводное соединение устройств с интерфейсом RS -485

Если приемник передающего узла включен во время передачи, то передающий узел принимает свои же сигналы. Этот режим называется "приемом эха" и обычно устанавливается микропереключателем на плате интерфейса. Прием эха иногда используется в сложных протоколах передачи, но чаще этот режим выключен.

Заземление, гальваническая изоляция и защита от молнии

Если порты RS -485, подключенные к линии передачи, расположены на большом расстоянии один от другого, то потенциалы их "земель" могут сильно различаться. В этом случае для исключения пробоя выходных каскадов микросхем трансиверов (приемопередатчиков) интерфейса следует использовать гальваническую изоляцию между портом RS -485 и землей. При небольшой разности потенциалов "земли" для выравнивания потенциалов, в принципе, можно использовать проводник, однако такой способ на практике не применяется, поскольку практически все коммерческие интерфейсы RS -485 имеют гальваническую изоляцию (см. например, преобразователь NL-232C или повторитель интерфейсов NL-485C фирмы RealLab!).

Защита интерфейса от молнии выполняется с помощью газоразрядных и полупроводниковых устройств защиты, см. раздел "Защита от помех" .

2.3.2. Стандартные параметры

В последнее время появилось много микросхем трансиверов интерфейса RS -485, которые имеют более широкие возможности, чем установленные стандартом. Однако для обеспечения совместимости устройств между собой необходимо знать параметры, описанные в стандарте (см. табл. 2.2).

2.3.5. Устранение состояния неопределенности линии

Когда передатчики всех устройств, подключенных к лини, находятся в третьем (высокоомном) состоянии, логическое состояние линии и входов всех приемников не определено. Чтобы устранить эту неопределенность, неинвертирующий вход приемника соединяют через резистор с шиной питания, а инвертирующий - с шиной "земли". Величины резисторов выбирают такими, чтобы напряжение между входами стало больше порога срабатывания приемника (+200 мВ).

Поскольку эти резисторы оказываются подключенными параллельно линии передачи, то для обеспечения согласования линии с интерфейсом необходимо, чтобы эквивалентное сопротивление на входе линии было равно 120 Ом.

Например, если резисторы, используемые для устранения неопределенности состояния линии, имеют сопротивление 450 Ом каждое, то резистор для согласования линии должен иметь номинал 130 Ом, тогда эквивалентное сопротивление цепи будет равно 114120 Ом. Для того, чтобы найти дифференциальное напряжение линии в третьем состоянии всех передатчиков (см. рис. 2.6), нужно учесть, что к противоположному концу линии в стандартной конфигурации подключен еще один резистор сопротивлением 120 Ом и до 32 приемников с входным дифференциальным сопротивлением 12 кОм. Тогда при напряжении питания (рис. 2.6) дифференциальное напряжение линии будет равно +272 мВ, что удовлетворяет требованию стандарта.

2.3.6. Сквозные токи

В сети на основе интерфейса RS -485 может быть ситуация, когда включены два передатчика одновременно. Если при этом один из них находится в состоянии логической единицы, а второй - в состоянии логического нуля, то от источника питания на землю течет "сквозной" ток большой величины, ограниченный только низким сопротивлением двух открытых транзисторных ключей. Этот ток может вывести из строя транзисторы выходного каскада передатчика или вызвать срабатывание их схемы защиты.

Такая ситуация возможна не только при грубых ошибках в программном обеспечении, но и в случае, если неправильно установлена задержка между моментом выключения одного передатчика и включением другого. Ведомое устройство не должно передавать данные до тех пор, пока передающее не закончит передачу. Повторители интерфейса должны определять начало и конец передачи данных и в соответствии ними переводить передатчик в активное или третье состояние.

2.3.7. Выбор кабеля

В зависимости от скорости передачи и необходимой длины кабеля можно использовать либо специально спроектированный для интерфейса RS -485 кабель, либо практически любую пару проводов. Кабель, спроектированный специально для интерфейса RS -485, является витой парой с волновым сопротивлением 120 Ом.

Для хорошего подавления излучаемых и принимаемых помех важно большое количество витков на единицу длины кабеля, а также идентичность параметров всех проводов.

При использовании неизолированных трансиверов интерфейса кроме сигнальных проводов в кабеле необходимо предусмотреть еще одну витую пару для соединения цепей заземления соединяемых интерфейсов. При наличии гальванической изоляции интерфейсов этого делать не нужно.

Кабели могут быть экранированными или нет. Без эксперимента очень трудно решить, нужен ли экран. Однако, учитывая, что стоимость экранированного кабеля не намного выше, лучше всегда использовать кабель с экраном.

При низкой скорости передачи и на постоянном токе большую роль играет падение напряжения на омическом сопротивлении кабеля. Так, стандартный кабель для интерфейса RS -485 сечением 0,35 кв.мм имеет омическое сопротивление 48,5 * 2 = 97 Ом при длине 1 км. При терминальном резисторе 120 Ом кабель будет выполнять роль делителя напряжения с коэффициентом деления 0,55, т. е. напряжение на выходе кабеля будет примерно в 2 раза меньше, чем на его входе. Этим ограничивается допустимая длина кабеля при скорости передачи менее 100 кбит/с.

На более высоких частотах допустимая длина кабеля уменьшается с ростом частоты (рис. 2.7) и ограничивается потерями в кабеле и эффектом дрожания фронта импульсов. Потери складываются из падения напряжения на омическом сопротивлении проводников, которое на высоких частотах возрастает за счет вытеснения тока к поверхности (скин-эффект) и потерь в диэлектрике. К примеру, ослабление сигнала в кабеле Belden 9501PVC составляет 10 дБ (3,2 раза) на частоте 20 МГц и 0,4 дБ (на 4,7%) на частоте 100 кГц при длине кабеля 100 м.

2.3.8. Расширение предельных возможностей

Стандарт RS -485 допускает подключение не более 32 приемников к одному передатчику. Эта величина ограничивается мощностью выходного каскада передатчика при стандартном входном сопротивлением приемника 12 кОм. Количество нагрузок (приемников) может быть увеличено с помощью более мощных передатчиков, приемников с большим входным сопротивлением и промежуточных ретрансляторов сигнала (повторителей интерфейса). Все эти методы используются на практике, когда это необходимо, хотя они выходят за рамки требований стандарта.

В некоторых случаях требуется соединить устройства на расстоянии более 1200 м или подключить к одной сети более 32 устройств. Это можно сделать с помощью повторителей (репитеров , ретрансляторов) интерфейса. Повторитель устанавливается между двумя сегментами линии передачи, принимает сигнал одного сегмента, восстанавливает фронты импульсов и передает его с помощью стандартного передатчика во второй сегмент (рис. 2.5). Такие повторители обычно являются двунаправленными и имеют гальваническую изоляцию. Примером может служить повторитель NL-485C фирмы RealLab! . Каждый повторитель позволяет добавить к линии 31 стандартное устройство и увеличить длину линии на 1200 м.

Распространенным методом увеличения числа нагрузок линии является использование приемников с более высокоомным входом, чем предусмотрено стандартом EIA/TIA-485 (12 кОм). Например, при входном сопротивлении приемника 24 кОм к стандартному передатчику можно подключить 64 приемника. Уже выпускаются микросхемы трансиверов для интерфейса RS-485 с возможностью подключения 64, 128 и 256 приемников в одном сегменте сети (www.analog.com/RS485). Отметим, что увеличение количества нагрузок путем увеличения входного сопротивления приемников приводит к уменьшению мощности передаваемого по линии сигнала, и, как следствие, к снижению помехоустойчивости.

2.3.9. Интерфейсы RS-232 и RS-422

Интерфейс RS -422 используется гораздо реже, чем RS -485 и, как правило, не для создания сети, а для соединения двух устройств на большом расстоянии (до 1200 м), поскольку интерфейс RS Рис. 2.9. Соединение двух модулей преобразователей интерфейса RS-232/RS-422Дифференциальный

Дифференциальный

Максимальное количество приемников

Максимальная длина кабеля

Максимальная скорость передачи

30 Мбит/с**

Синфазное напряжение на выходе

Напряжение в линии под нагрузкой

Импеданс нагрузки

Ток утечки в "третьем" состоянии

Допустимый диапазон сигналов на входе приемника

Чувствительность приемника

Входное сопротивление приемника

Примечание . **Скорость передачи 30 Мбит/с обеспечивается современной элементной базой, но не является стандартной.

* EIA - Electronic Industries Association - ассоциация электронной промышленности. TIA - Telecommunications Industry Association - ассоциация телекоммуникационной промышленности. Обе организации занимаются разработкой стандартов.

Компания Maxim является мировым лидером в производстве интерфейсных микросхем разнообразной функциональной организации.

Все микросхемы обладают особенностями, позволяющими уменьшить стоимость, увеличить плотность компоновки элементов на плате за счет уменьшения количества дополнительных элементов, а также обеспечить разнообразную защиту устройств в линии связи.

В линейке интерфейсных микросхем MAXIM можно найти:

Приемопередатчики самых распространенных промышленных интерфейсов: RS-232, RS-485/RS-422, IrDA, CAN, LIN, LVDS, USB, HART;
Двухпротокольные устройства, позволяющие с помощью одной микросхемы соединить устройства с различными интерфейсами, например RS-232 и RS-485;
Многопротокольные устройства, поддерживающие следующие интерфейсы: RS-232, RS-449, RS-485, RS-530, RS-530A, V.10, V.11, V.28, V.35, V.36, и X.21;
Микросхемы защиты линий связи от электростатического перенапряжения, позволяющие обеспечить защиту микросхем и устройств по току;
Микросхемы контроля интерфейсных шин, позволяющие отреагировать на короткие замыкания в схеме и в случае необходимости подключить резервное питание к разрабатываемому устройству;
Микросхемы, упрощающие работу со smart-картами, а также контроллеры интерфейсов, ускоряющие создание USB- и SCSI-устройств;
Расширители портов ввода/вывода;
Двусторонние высокоскоростные преобразователи уровня логического сигнала для сопряжения микросхем с различным питанием в пределах одной платы.

В основном для связи промышленных устройств используются интерфейсы RS-485 и RS-232. Линейка приемопередатчиков этих интерфейсов от компании Maxim содержит более 300 различных устройств.

Протокол RS-485

Протокол RS-485 совместно разработан двумя ассоциациями: Ассоциацией электронной промышленности (EIA — Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA — Telecommunications Industry Association). Ранее EIA маркировала все свои стандарты префиксом «RS» (Recommended Standard — Рекомендованный стандарт). Многие инженеры продолжают использовать это обозначение, однако EIA/TIA официально заменил «RS» на «EIA/TIA» с целью облегчить идентификацию происхождения своих стандартов.

Этот стандарт стал основой для создания целого семейства промышленных сетей, широко используемых в промышленной автоматизации. Главное отличие RS-485 от RS-232 — возможность объединения нескольких устройств.

Перечислим основные свойства физического уровня интерфейса RS-485:

1. Двунаправленная полудуплексная передача данных. Поток последовательных данных передается одновременно только в одну сторону, передача в другую сторону требует переключения приемопередатчика. Приемопередатчики принято называть «драйверами» (driver).

2. Симметричный канал связи. Для приема/передачи данных используются два равнозначных сигнальных провода, которые обозначаются латинскими буквами «А» и «В». По этим проводам идет последовательный обмен данными в обоих направлениях (поочередно). При использовании витой пары симметричный канал существенно повышает устойчивость сигнала к синфазной помехе и хорошо подавляет электромагнитные излучения, создаваемые полезным сигналом.

3. Дифференциальный способ передачи данных. На выходе приемопередатчика изменяется разность потенциалов, при передаче «1» разность потенциалов между A и B положительная, при передаче «0» — отрицательная. То есть ток между контактами А и В при передаче «0» и «1» течет (балансирует) в противоположных направлениях.

4. Многоточечность. Допускает множественное подключение приемников и приемопередатчиков к одной линии связи. Но в каждый момент времени передавать данные должен только один передатчик, а принимать данные может большое количество устройств.

5. Низкоимпендансный выход передатчика. Буферный усилитель передатчика имеет низкоомный выход, что позволяет передавать сигнал ко многим приемникам. Стандартная нагрузочная способность передатчика равна 32 приемника на один передатчик. Кроме этого токовый сигнал используется для работы «витой пары» (чем больше рабочий ток «витой пары», тем сильнее она подавляет синфазные помехи на линии связи).

6. Зона нечувствительности. Если дифференциальный уровень сигнала между контактами АВ не превышает ±200 мВ, то считается, что сигнал в линии отсутствует. Это увеличивает помехоустойчивость передачи данных.

Дифференциальная передача сигнала в системах на основе RS-485 обеспечивает надежную передачу данных в присутствии шумов, а дифференциальные входы их приемников могут подавлять значительные синфазные напряжения. Однако для защиты от больших уровней напряжений, которые обычно ассоциируются с электростатическим разрядом (ESD), необходимо принимать дополнительные меры.

Заряженная емкость человеческого тела позволяет человеку уничтожать интегральную схему простым касанием. Такой контакт запросто может произойти при прокладке и подключении интерфейсного кабеля.

Некоторые микросхемы на рынке не имеют встроенной защиты от электростатического разряда, что вынуждает устанавливать дополнительные защитные устройства на плату. Интерфейсные микросхемы Maxim включают «ESD-структуры», которые защищают выходы передатчиков и входы приемников в приемопередатчиках RS-485 от уровней ESD до ±15 кВ, а в некоторых моделях до уровня ±30 кВ.

Чтобы гарантировать заявленную защиту от ESD, специалисты компании Maxim осуществляют многократные тестирования положительных и отрицательных выводов питания с шагом 200 В для проверки последовательности заявленных уровней. Устройства этого класса (отвечающие спецификациям модели человеческого тела) маркируются в обозначении изделия дополнительным суффиксом «E».

Также для выходных драйверов интерфейсных микросхем опасен режим короткого замыкания, однако специалисты компании Maxim разработали уникальную систему защиты, отключающую выходные драйверы микросхемы не только при обнаружении короткого замыкания, но и при перегреве микросхемы, что обеспечивает продолжительный безотказный период работы.

Поскольку у микросхем компании MAXIM все системы защиты и преобразователи уровней находятся на одном кристалле, то схема подключения сильно упрощается (рис. 1). Минимальное количество навесных элементов позволяет максимально уплотнить размещение интегральных компонентов на плате, а минимальные размеры микросхем связи (вплоть до 2×2 мм) упрощают проектирование переносных устройств или устройств, работающих в ограниченном пространстве.

Рис. 1.

Сети, построенные на базе интерфейса RS-485, могут быть как дуплексные, так и полудуплексные. Полудуплексный режим — это режим, при котором передача ведется в обоих направлениях, но с разделением по времени. В каждый момент времени передача ведется только в одном направлении. Дуплексный режим — это режим, при котором передача данных может производиться одновременно с приемом данных. Иногда его также называют «полнодуплексным» режимом для того, чтобы яснее показать разницу с полудуплексным.

Как известно, стандарт RS-485 оговаривает только электрические характеристики интерфейса связи и физический уровень (среду), но не программную платформу. Однако существует множество стандартизированных промышленных протоколов, работающих «поверх» стандарта RS-485. Среди этих протоколов, самым распространенным является PROFIBUS. Он объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи, что позволяет соединить разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов. PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS).

PROFIBUS DP (Decentralized Peripheral — Распределенная периферия) — протокол, ориентированный на обеспечение скоростного обмена данными между системами автоматизации (ведущими DP-устройствами) и устройствами распределенного ввода/вывода (ведомыми DP-устройствами).

Он характеризуется минимальным временем реакции, высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей и оптимизирован для высокоскоростных и недорогих систем. Эта версия сети была спроектирована специально для связи между автоматизированными системами управления и распределенной периферией. Электрически протокол близок к RS-485, именно поэтому микросхемы, позволяющие работать по протоколу PROFIBUS, при желании пользователя можно перенастроить на работу по интерфейсу RS-485.

MAX14840E и MAX14841E

MAX14840E и MAX14841E — защищенные от электростатического разряда трансиверы, предназначенные для полудуплексных сетей RS-485 со скоростью передачи данных до 40 Мбит/с. Эти приемопередатчики оптимизированы для высокоскоростной связи устройств на большом расстоянии. Специальные системы защиты от несимметричности сигнала, а также увеличенный гистерезис входного сигнала позволяют значительно увеличить устойчивость к помехам.

Обычный ток потребления микросхем в режиме ожидания или в режиме работы (с отключенными выходными драйверами) составляет всего 1,5 мА. Устройства, построенные на этой микросхеме, могут включаться в уже работающую сеть «на лету», не вызывая переходные процессы, ухудшающие форму передающегося в данный момент сигнала.

Микросхемы MAX14840E и MAX14841E от компании Maxim доступны в восьмивыводном корпусе формата SO и малых восьмиконтактных (3х3 мм) корпусах формата TDFN-EP, но, независимо от форм-фактора, микросхемы работают в температурном диапазоне -40…125°C, что позволяет использовать их в автомобильных сетях.

Данная микросхема разрабатывалась для работы в высокоскоростной многоточечной сети RS-485 (рис. 2).

Рис. 2.

Минимальное количество выводов микросхемы, а также высокая степень внутренней интеграции позволяет использовать ее практически без внешних элементов, что повышает плотность компоновки платы и упрощает использование микросхемы в малогабаритных переносных устройствах.

Микросхемы серии MAX14840E и MAX14841E содержат блок защиты выходных драйверов, который ограничивает выходной ток в случае короткого замыкания линии, что позволяет сохранить выходные драйверы в рабочем состоянии, а также избежать больших потерь энергии. В данной микросхеме присутствует блок защиты от перегрева, который отключает выходные драйверы микросхемы при превышении температуры в 160°C.

Основные применения:

Системы управления двигателями;
Управление микроклиматом;
Промышленные системы управления;
Различные сети RS-485.

MAX14770E

В линейке микросхем от компании Maxim присутствует модель MAX14770E — приемопередатчик интерфейсов PROFIBUS-DP/RS-485. Новое поколение технологического процесса BiCMOS позволяет добиться высокой пропускной способности (20 Мбит/с) и при этом интегрировать в структуру надежную схему защиты от электростатического разряда (±35 кВ, HBM). Компактный корпус TDFN позволяет использовать эту микросхему в переносных устройствах. Микросхема работает в расширенном температурном диапазоне -40…125°C, что гарантирует надежность в сложных условиях.

MAX14770E повыводно совместима с MAX3469, что позволяет использовать ее для модернизации систем управления двигателями, сетей PROFIBUS-DP/RS-485 и промышленных шин.

MAX14770E имеет широкий диапазон напряжения питания, совместимый с промышленным стандартом (5 В ±10%). Микросхема выпускаются в компактном восьмивыводном корпусе TDFN (3×3 мм), а также восьмивыводном корпусе SO, для которого рабочий температурный диапазон -40…85°C.

Основные характеристики:

Отвечает требованиям Profibus-DP напряжение питания 4,5…5,5В;
Скорость передачи достигает 20Мбит/с;
Имеет защиту от короткого замыкания;
Имеет отказоустойчивый приемник;
Отключается при перегреве;
Имеет возможность горячей замены;
Имеет расширенную защиту от электростатического разряда: ±35кВ (модель человеческого тела); ±20кВ (модель разряда через воздушный зазор); ±10кВ (модель разряда при касании);
Имеет расширенный температурный диапазон -40…125°C для восьмивыводного корпуса TDFN (3×3мм).

Благодаря этим особенностям микросхемы имеют очень широкие области применения. Помимо устройств в промышленных сетях и системах кодирования промышленного оборудования эти микросхемы активно используются в системах управления двигателями, а также в сетях PROFIBUS-DP.

MAX13181E, MAX13182E, MAX13183E, MAX13184E

Микросхемы серии MAX13181E, MAX13182E, MAX13183E, MAX13184E от компании Maxim — приемопередатчики интерфейса RS-485, работающие в полнодуплексном режиме и в режиме по выбору: полу- и полнодуплексном (рис. 3).

Рис. 3.

Особенностью этих микросхем является то, что они выпускаются в компактных корпусах mDFN с габаритами 2х2 мм и предназначены для применения в разработках, критичных к габаритам. Несмотря на размеры, они имеют улучшенную защиту от электростатического разряда ±15 кВ, а также подтягивающие и заземляющие нагрузочные резисторы на входах DE, RE и F для уменьшения количества внешних компонентов.

Особенностью микросхем MAX13182E, MAX13184E также является очень низкий ток в отключенном режиме, что необходимо в приложениях, критичных к энергопотреблению. Входы приемника микросхемы создают импеданс величиной в 1/8 единичной нагрузки, что дает возможность подключать к шине до 256 приемопередатчиков.

Микросхемы MAX13181E, MAX13182E включают драйверы с ограничением скорости нарастания напряжения выходного сигнала, что уменьшает электромагнитные помехи и отражения сигналов, возникающие при неправильной разводке кабелей. Однако применение драйверов с ограничением скорости нарастания напряжения выходного сигнала позволяет осуществлять передачу данных со скоростью до 250 кбит/с, хоть и значительно уменьшает количество ошибок.

MAX13183E, MAX13184E, в отличие от предыдущих ИС, имеют драйверы, работающие на полной скорости, что позволяет добиться скорости передачи данных до 16 Мбит/с. Особенностью этих микросхем является возможность выбора полу- или полнодуплексного режима работы, а MAX13182E и MAX13184E работают только в полнодуплексном режиме. Все выходы передатчиков и входы приемника имеют улучшенную защиту от электростатического разряда.

Все микросхемы MAX13181E…MAX13184E выпускаются в 10-выводном корпусе mDFN с габаритами 2х2 мм и в 14-выводном корпусе SO. Все они работают в расширенном температурном диапазоне -40…85°C.

Среди особенностей описываемых микросхем можно выделить следующие:

10-выводной корпус mDFN с габаритами 2х2мм и 14-выводной корпус SO;
Напряжение питания 5В;
Расширенная защита от электростатического разряда;
±15кВ (Спецификация HBM- модель человеческого тела);
±12 кВ (Спецификация IEC 61000-4-2- модель разряда через воздушный зазор);
±6 кВ (Спецификация IEC 61000-4-2- модель разряда при касании);
Режим работы с ограничением скорости нарастания напряжения выходного сигнала для передачи данных без ошибок (MAX13181E, MAX13182E);
Низкий ток потребления 2,5мкА в режиме отключения;
Импеданс величиной в 1/8 единичной нагрузки, который дает возможность подключать к шине до 256 приемопередатчиков.

Благодаря малым размерам и низкому потреблению тока данные микросхемы отлично подходят для применения в переносных устройствах с автономным питанием, которые могут использоваться как при управлении производственными процессами, так и в измерительной аппаратуре, в системах безопасности и в телекоммуникационном оборудовании.

MAX13448E

MAX13448Е — дуплексные приемопередатчики интерфейса RS-485 с защитой входов и выходов от перепадов напряжения ±80 В (относительно земли). MAX13448E работает от источника питания номиналом 3…5,5 В. Особенностью ИС является схема защиты, которая гарантирует наличие логического состояния высокого уровня на выходе приемника в случае отключения или замыкания входов. Это позволяет все выходы приемника, подключенные к шине, перевести в состояние высокого логического уровня при отключении всех приемопередатчиков.

Возможность работы ИС при наличии перепадов напряжения ±80 В на выводах интерфейса RS-485 позволяет устранить необходимость применения внешней схемы защиты, которая обычно содержит самовосстанавливающиеся предохранители и стабилитроны.

Встроенная схема защиты успешно используется в таких архитектурах как USB и CAN, в которых питание и передача данных осуществляет по одному кабелю. MAX13448E хорошо подходит для применения в промышленных системах вентиляции и кондиционирования воздуха, а также системах управления электродвигателями.

Основной особенностью микросхемы MAX13448E является модуль ограничения скорости нарастания выходного напряжения, использование которого снижает уровень электромагнитных помех и эффект наводок на кабель, что позволяет осуществлять безошибочную передачу данных на скорости до 500 Кбит/с при питании 5 В и 250 Кбит/с при питании 3,3 В.

В MAX13448E предусмотрена функция горячей замены, которая устраняет возможность передачи неправильных данных в моменты включения питания или при включении ИС в работу без отключения источника питания. Драйвер и приемник микросхемы имеют, соответственно, активный высокий и активный низкий логический уровень включения, что дает возможность при совместном включении извне управлять направлением передачи.

Полное входное сопротивление приемника ИС представляет собой только 1/8 стандартной нагрузки, что дает возможность к одной шине подключить до 256 передатчиков. Выходы всех драйверов имеют защиту от электростатического разряда до ±8 кВ (касание человека — Human Body Model). MAX13448E работает в температурном диапазоне -40…85°C и выпускается в 14-контактных корпусах SO.

MAX13410E, MAX13411E, MAX13412E, MAX13413E

MAX13410E, MAX13411E, MAX13412E, MAX13413E — полудуплексные приемопередатчики для интерфейсов RS-485/RS-422, оптимизированные для применения в схемах с изолированными контурами. Эти ИС включают встроенный стабилизатор напряжения с низким падением напряжения, драйвер и приемник. Встроенный стабилизатор позволяет работать от нерегулируемого источника питания номиналом до 28 В. Функция автоматического перенаправления пересылаемых данных (архитектура AutoDirection фирмы Maxim) дает возможность уменьшить количество оптических элементов для развязки. Среди других особенностей можно отметить защиту от электростатического разряда, схему ограничения скорости нарастания напряжения, схему повышения отказоустойчивости, способность пересылки данных на максимальной скорости.

Встроенный стабилизатор напряжения с низким падением напряжения вырабатывает напряжение номиналом 5 В ±10%, которое используется для питания внутренних цепей приемопередатчика. Выход встроенного регулятора напряжения выведен на VREG, что позволяет пользователю подключить внешние компоненты к источнику стабильного напряжения при условии, что потребляемый ток будет меньше 20 мА. В MAX13410E/MAX13411E нет выхода напряжения 5 В, но его выводы соответствуют промышленному стандарту, что позволяет легко встраивать ИС в промышленные системы.

В MAX13410E, MAX13411E, MAX13412E и MAX13413E полное входное сопротивление приемника ИС представляет собой только 1/8 стандартной нагрузки, что дает возможность к одной шине подключить до 256 передатчиков. Выходы драйвера имеют защиту от электростатического напряжения.

Особенностью ИС MAX13412E/MAX13413E является функция автоматического перенаправления потока данных. Подобная архитектура устраняет необходимость использования сигналов управления DE и RE.

В MAX13410E/MAX13412E применяется схема ограничения скорости нарастания напряжения, что снижает создаваемые электромагнитные помехи и обеспечивает устойчивую работу в условиях высоких внешних электромагнитных помех при скорости передачи данных до 500 Кбит/с. В MAX13411E/MAX13413E схема ограничения не применяется, но эти микросхемы могут передавать данные на скорости до 16 Мбит/с.

Микросхемы работают в температурном диапазоне -40…85°С и выпускаются в 8-контактных корпусах SO.

Интерфейс RS-232

Несмотря на все положительные качества интерфейса RS-485, интерфейс RS-232 до сих пор часто используется в промышленных системах. Он был разработан для простого применения, определяемого из его названия: «Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду».

Интерфейс RS-232 создан для передачи информации между двумя устройствами на расстояние до 20 м. Он основан на передаче дифференциального сигнала, однако отличается уровнями и полярностью.

Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5 В, что обеспечивает большую устойчивость к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса.

Сигналы после прохождения по кабелю ослабляются и искажаются. Ослабление растет с увеличением длины кабеля. Этот эффект вызван электрической емкостью кабеля. По стандарту максимальная нагрузочная емкость составляет 2500 пФ. Типичная погонная емкость кабеля составляет 130 пФ, поэтому максимальная длина кабеля ограничена примерно 17 м.

Логические уровни передатчика: «0» — 5…15 В, «1» — -5…-15 В.

Логические уровни приемника: «0» — выше 3 В, «1» — ниже -3 В.

Несмотря на то, что протокол RS-232 создавался давно, специалисты компании Maxim до сих пор улучшают аппаратную часть сети, которая позволяет обеспечить большую надежность промышленных систем.

MAX13223E

Новый двухканальный приемопередатчик MAX13223E для интерфейса RS-232 имеет встроенную защиту входов/выходов до напряжения ±70 В. MAX13223E — это первый на рынке приемопередатчик с защитой от перенапряжения, совместимый по выводам с MAX3223E, являющимся в настоящее время промышленным стандартом.

В новую микросхему интегрированы цепи защиты входов/выходов от короткого замыкания на шины питания, ошибок подключения и перенапряжения до ±70 В, что устраняет необходимость использования внешних защитных цепей. Такая защита особенно критична для приложений, в которых питание и данные передаются по одному и тому же проводу, т.к. предотвращает выход схемы из строя из-за ошибок подключения и коротких замыканий на выводы интерфейса при повреждении кабеля.

Запатентованная Maxim схема AutoShutdown позволяет довести потребляемый ток в отключенном режиме до 1 мкА. Микросхема MAX13223E автоматически переходит в режим низкого потребления энергии при отключении связующего кабеля RS-232 или при отсутствии данных на входе приемника. Запатентованная эффективная схема подкачки напряжения питания и низкий уровень падения напряжения в тракте передачи обеспечивает работу микросхемы от однополярного источника напряжения номиналом 3…5 В.

MAX13223E, выполненный в корпусе TSSOP-20, работает в диапазоне напряжений питания 3…5,5 В, обеспечивая интерфейс EIA/TIA-232 и V.28/V.24 с автоматическим отключением и улучшенной защитой от разрядов статического электричества. Температурный диапазон микросхемы -40…85°C.

MAX13223E создана для использования в автомобильных приложениях, средствах связи, базовых станциях, системах учета коммунальных услуг, промышленном оборудовании, торговых терминалах и телекоммуникационном оборудовании.

Типовая схема подключения (рис. 4) содержит минимум навесных элементов, что позволяет максимально упростить разводку платы, а также максимально уплотнить расположение элементов на плате.

Рис. 4.

MAX13234E, MAX13235E, MAX13236E, MAX13237E

Приемопередатчики интерфейса RS-232 MAX13234E, MAX13235E, MAX13236E, MAX13237E разработаны для замены существующих приемопередатчиков семейства MAX3224E…MAX3227E и обеспечивают высокую скорость передачи данных (до 3 Мбит/с). Встроенные регуляторы напряжения позволяют работать с логическими уровнями при низком напряжении питания, а за счет использования схемы AutoShutdown Plus ток потребления уменьшился до уровня менее 1 мкА. Схема ESD обеспечивает высокий уровень защиты от статического разряда.

Микросхемы MAX13234E…MAX13237E обеспечивают возможность работы при высокой скорости передачи данных за счет отсутствия необходимости использования внешнего преобразования логических уровней. Микросхемы MAX13234E и MAX13235E включают два приемника и два передатчика. MAX13236E и MAX13237E включают один приемник и один передатчик, выпускаются в компактном корпусе TQFN. MAX13235E и MAX13237E обеспечивают скорость передачи данных до 3 Мбит/с, а MAX13234E и MAX13236E поддерживают работу на скорости 250 кбит/с. Все устройства работают в расширенном температурном диапазоне -40…85°C от источника питания номиналом 3…5,5 В.

Данные микросхемы были созданы для применения в основном в области коммуникационных систем, но они также идеально подойдут для портативных электронных устройств и промышленного оборудования.

HART-протокол

Если в описанных выше интерфейсах для передачи данных использовалось напряжение, т.е. сигнал определялся разницей напряжения между двумя выводами схемы, то в протоколе HART (Highway Addressable Remote Transducer ) электрическим сигналом является ток. Сети HART построены по принципу аналоговой токовой петли с частотной модуляцией сигнала.

Протокол HART способен обеспечить обмен данными на скорости до 1200 Бод. Диаграмма, поясняющая работу приборов по HART-протоколу, представлена на рис. 5.

Рис. 5.

Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» — два неполных периода 2200 Гц.

Как видно на рисунке 5, HART-составляющая накладывается на токовую петлю 4…20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно «0», то HART-сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4…20 мА.

HART-протокол построен по принципу «главный-подчиненный», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор).

Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART-протоколу.

В режиме передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика.

В многоточечном режиме датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства — 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу.

К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.

DS8500

Компания Maxim Integrated Products, Inc представила DS8500 — однокристальный HART-модем, отвечающий на физическом уровне требованиям спецификации HART.

Как видно на рис. 6, на кристалле интегрированы модулятор и демодулятор 1200/2200 Гц частотно-модулированного сигнала.

Рис. 6.

Микросхема имеет очень малое энергопотребление и благодаря реализованной цифровой сигнальной обработке требует лишь несколько внешних компонентов. Входной сигнал оцифровывается АЦП и поступает на цифровой фильтр/демодулятор. Архитектура модема позволяет уверенно обнаруживать сигнал даже в зашумленной среде. Выходной ЦАП генерирует синусоидальное напряжение и сохраняет сдвиг фаз при переключении частот 1200 и 2200 Гц. Низкое потребление достигается запрещением работы приемника во время передачи сигнала, передатчик не работает во время приема. DS8500 идеальны для создания малопотребляющих передатчиков систем управления технологическими процессами.

Как видно на рис. 7, всего несколько внешних компонентов и 20-выводной миниатюрный корпус TQFN уменьшают стоимость и габариты изделия.

Рис. 7.

Основные особенности модема:

Однокристальное решение для полудуплексной передачи, 1200бод, FSK-модуляция и демодуляция;
Цифровая сигнальная обработка, обеспечивающая надежное детектирование входного сигнала в зашумленной среде;
Синусоидальный выходной сигнал с минимальными гармоническими искажениями;
Стандартная тактовая частота 3,6864МГц;
Соответствие требованиям спецификации HART на физическом уровне;
Напряжение питания в диапазоне 2,7…3,6В;
Максимальный ток потребления 285 мкА;
Миниатюрный 20-выводной корпус TQFN с размерами 5х5х0,8мм.

Благодаря активному использованию протокола HART, микросхема DS8500 незаменима при разработке передатчиков для устройств сбора информации (температуры, давления и т.д.), HART-модемов или HART-мультиплексоров.

Заключение

Хотя стандарты RS-232 и RS-485 были созданы более 30 лет назад, они активно используются до сих пор. Ранее ни один персональный компьютер не мог обойтись без COM-порта, передача данных по которому основывается на протоколе RS-232. Даже несмотря на то, что в современных компьютерах COM-порт давно заменен более современными, это еще не означает, что протоколы RS-232 и RS-485 забыты.

В промышленных сетях им нет равных из-за высокой стабильности и больших расстояний, на которых обеспечивается передача данных. Однако эта надежность определяется не только первоначальной удачной разработкой протокола, но и постоянным совершенствованием аппаратной части.

Интерфейсная продукция компании MAXIM идеально удовлетворяет потребностям российского рынка промышленной электроники, а интерфейсы еще долго будут жить. Maxim активно совершенствует надежностные характеристики микросхем связи и расширяет их дополнительный функционал.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

Maxim приобрел компанию Teridian

Компания Maxim объявила о приобретении компании Teridian Semiconductor Corporation. Teridian Semiconductor является fabless-компанией (разработчиком без собственных производственных мощностей), штаб-квартира которой располагается в Ирвайне, штат Калифорния. Компания является крупным поставщиком полупроводниковых компонентов, при этом основное внимание сосредоточено на микросхемах для счетчиков энергопотребления и средств измерения энергии интеллектуальных энергетических систем. Она является поставщиком трех из четырех основных производителей счетчиков энергопотребления в США и свыше пятидесяти их производителей в мире. Основная отличительная характеристика интеллектуальных датчиков Teridian — новая архитектура, которая позволяет проводить более точные измерения мощности в более широком динамическом диапазоне. Для того, чтобы оптимизировать время выхода продукта на рынок и уменьшить затраты, производители счетчиков электропотребления нуждаются в микросхемах с высокой степенью интеграции компонентов на чипе и готовых многоуровневых решениях. Продемонстрированная Maxim возможность объединять множественные сигнальные функции будет крайне полезна в производстве высоинтегрированных «систем-на-кристалле» (SoC) и готовых решений, удовлетворяющих этим требованиям. Было заявлено, что количество интеллектуальных счетчиков, использующих как «системы-на-кристалле», так и готовые решения, должно ежегодно увеличиваться на 10% до 2014 года.

Как недавно отметил генеральный директор (СЕО) Maxim Тунк Долука (Tunc Doluca ): «Инвестиции в глобальные интеллектуальные энергетические системы должны быть существенны, для того чтобы использовать электростанции и сети энергоснабжения более эффективно. Средства измерения энергии и сетевые средства связи являются ключевыми компонентами интеллектуальной энергетической системы, а, следовательно, неизбежно ведет за собой разработку новых счетчиков энергопотребления на замену устаревших. Приобретение продуктовой линейки и команды компании Teridian в значительной степени ускорит наше внедрение на этот быстроразвивающийся рынок и поможет нам укрепить наши позиции».

В интерфейсах RS-422 и RS-485 устранены недостатки интерфейса RS-232, который широко используется в персональных компьютерах. В основе построения интерфейсов RS-422/RS-485 лежит принцип дифференциальной передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам, скрученных между собой и образующих витую пару. Обычно один провод условно именуют как ‘A’, а другой – ‘B’. Полезным сигналом является разность потенциалов между проводами A и B: U A – U B = U AB . Для организации интерфейсов необходимы линейные передатчики с дифференциальными выходами и линейные приемники с дифференциальными входами.

На рис. 1 приведено условное изображение линейного передатчика интерфейсов RS-422/RS-485 и временная диаграмма его выходного сигнала. Передатчик выдает напряжение от 2 до 6 В между выводами A и B. Передатчик также имеет вывод C общей точки (провода) схемы. В отличие от интерфейса RS-232C общий провод здесь не используется для определения состояния линии данных, а применяется только для присоединения сигнального заземления. Если на выходе передатчика 2 < U AB < 6 В, то это соответствует логическому 0, а диапазон -6 < U AB < -2 В соответствует логической 1.

Рис. 1. Передатчик интерфейсов RS-422/RS-485:

а) - условное обозначение; б) - временная диаграмма выходного сигнала U AB

Линейный передатчик интерфейса RS-485 должен обязательно иметь вход управляющего сигнала «Разрешение». Назначение этого сигнала – соединять выходы передатчика с линейными выводами A и B. Если сигнал «Разрешение» находится в состоянии «Выключено» (обычно логический 0), то передатчик будет отсоединен от линии. Состояние отключения линейного передатчика обычно называют его третьим или Z-состоянием.

Дифференциальный приемник анализирует сигналы из линии связи, поступающие на его входы A и B. Если на входе приемника U A – U B = U AB > 0,2 В, то это соответствует логическому 0, если U A – U B < -0,2 В, то это логическая 1. Диапазон | U A – U B | < 0,2 В является зоной нечувствительности (гистерезисом), защищающей от воздействия помех. Линейный приемник также должен иметь вывод C общего провода схемы, чтобы выполнить сигнальное заземление.

Применение дифференциального метода передачи сигналов обеспечивает хорошую помехоустойчивость интерфейсов. Для аппаратной реализации интерфейса используются микросхемы приемопередатчиков (трансиверов) с дифференциальными входами/выходами, подключаемыми к линии, и цифровыми входами/выходами, подключаемыми к модулю UART микроконтроллера.

Сравнение интерфейсов RS-422 и RS-485. Стандарт определяет RS-422 как двухточечный интерфейс с одним передатчиком и до десяти приемников. На рис. 2 приведена схема подключения устройств к линиям интерфейса для симплексного (одностороннего) обмена. Для дуплексного обмена нужна вторая пара проводов с таким же подключением устройств.

Рис. 2. Подключение устройств к линии связи интерфейса RS-422

Стандарт определяет RS-485 как многоточечный интерфейс, допускающий присоединение к одной линии до 32 передатчиков, приемников или их комбинаций. На рис. 3 приведена схема подключения устройств к линиям интерфейса для полудуплексного обмена. Дифференциальные входы приемников интерфейсов RS-422/485 защищают от действия помех, но при этом должно осуществляться соединение общих точек C устройств между собой и с шиной заземления. При большой протяженности линии связи для соединения общих точек используется дополнительный третий провод интерфейса. Если применяется экранированная витая пара, то экран можно использовать в качестве третьего провода.

Рис. 3. Подключение устройств к линии связи интерфейса RS-485

Согласование сопротивлений в линии связи. При больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре, и высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. При этом искажаются передаваемые сигналы за счет отражения сигналов на концах линии связи.

Известно, что любая линия электрической связи характеризуется волновым сопротивлением, которое определяется только ее параметрами: площадью и формой сечения проводов, их взаимного расположения, толщины и типа диэлектрика между ними. Если подключить к концу линии резистор, имеющий сопротивление равное волновому, сигнал от него отражаться не будет. Такая линия называется согласованной. Искажения в ней минимальны. Согласующий резистор R C устанавливается на том конце линии, в сторону которого передается сигнал. В интерфейсе RS-422 он расположен на противоположном от передатчика конце линии (см. рис. 2). В интерфейсе RS-485, если передача идет в двух направлениях, согласующие резисторы R C устанавливаются на обоих концах линии связи (см. рис. 3). Применяемые в настоящее время витые пары имеют волновое сопротивление порядка 120 Ом, поэтому сопротивление согласующих резисторов также берется величиной 120 Ом. Термин «согласующий» резистор не является общепринятым. Часто вместо него используются термины: оконечный или терминальный резистор.

Максимальная скорость передачи данных по интерфейсам RS-422/RS-485 определяется множеством факторов: длиной и параметрами линии связи, параметрами приемников и передатчиков. Максимальная скорость передачи на коротких расстояниях (до 12 м) ограничивается быстродействием передатчиков и по стандарту равна 10 Мбит/с. На средних расстояниях (десятки и сотни метров) скорость передачи уменьшается из-за возрастания потерь в емкостях изоляции кабеля и активных сопротивлений проводов. Так, например, при длине линии 120 м максимальная скорость передачи не превышает 1 Мбит/с. Максимальная длина кабеля связи по стандарту ограничена величиной 1200 м, при этом скорость передачи не превышает 100 Кбит/с.

Достоинством интерфейсов RS-422 и RS-485 являются: дешевизна соединительных кабелей; дешевизна реализации трансиверов; большой парк работающего оборудования, реализующего эти стандарты; возможность организации гальванической развязки.

Недостатком интерфейсов является то, что они отсутствуют в стандартной комплектации компьютеров и микроконтроллеров. Интерфейсы имеют довольно значительное энергопотребление и относительно невысокую скорость передачи данных.

В условиях промышленного применения беспроводные линии передачи данных никогда не смогут полностью заменить проводные. Среди последних самым распространенным и надежным до сих пор остается последовательный интерфейс RS-485. А производителем наиболее защищенных от внешних воздействий и разнообразных по конфигурации и степени интеграции приемопередатчиков для него, в свою очередь, остается компания Maxim Integrated.

Несмотря на рост популярности беспроводных сетей, наиболее надежную и устойчивую связь, особенно в жестких условиях эксплуатации, обеспечивают проводные. Правильно спроектированные проводные сети позволяют реализовать эффективную связь в промышленных приложениях и в системах автоматизированного управления производственными процессами, обеспечивая устойчивость к помехам, электростатическим разрядам и перенапряжениям. Отличительные особенности интерфейса RS-485 обусловили его широкое применение в индустрии.

Сравнение интерфейсов RS-485 и RS-422

Приемопередатчик RS-485 является наиболее распространенным интерфейсом физического уровня для реализации сетей с последовательной передачей данных, предназначенных для жестких условий эксплуатации в промышленных применениях и в системах автоматизированного управления зданиями. Данный стандарт последовательного интерфейса обеспечивает обмен данными с высокой скоростью на сравнительно большое расстояние по одной дифференциальной линии (витой паре). Основная проблема применения RS-485 в промышленности и в системах автоматизированного управления зданиями состоит в том, что электрические переходные процессы, возникающие при быстрой коммутации индуктивных нагрузок, электростатические разряды, а также импульсные перенапряжения, воздействуя на сети автоматизированных систем управления, способны исказить передаваемые данные или привести к выходу их из строя.

В настоящее время существует несколько типов интерфейсов передачи данных, каждый из которых разработан для конкретных применений с учетом требуемого набора параметров и структуры протокола. К числу интерфейсов последовательной передачи данных относятся CAN, RS-232, RS-485/RS-422, I2 C, I2 S, LIN, SPI и SMBus, однако RS-485 и RS-422 по-прежнему остаются наиболее надежными, особенно в жестких условиях эксплуатации.

Во многом схожи, однако имеют некоторые существенные отличия, которые необходимо учитывать при проектировании систем передачи данных. В соответствии со стандартом TIA/EIA-422, интерфейс RS-422 специфицирован для промышленных применений с одним ведущим устройством шины данных, к которой может быть подключено до 10 ведомых устройств (рис. 1). Он обеспечивает передачу на скорости до 10 Мбит/с, используя витую пару, что позволяет повысить помехоустойчивость и достичь максимально возможной дальности и скорости передачи данных. Типичные области применения RS-422 - автоматизация производственных процессов (производство химикатов, пищевое производство, бумажные фабрики), комплексная автоматизация производства (автомобильная и металлообрабатывающая промышленность), системы вентиляции и кондиционирования, системы безопасности, управление двигателями и контроль за перемещением объектов.

Рис. 1. Интерфейс RS-422 с подключением нескольких приемных устройств к общей двухпроводной линии связи

RS-485 обеспечивает более высокую гибкость благодаря возможности использования нескольких ведущих устройств на общей шине, а также увеличения максимального числа устройств на шине с 10 до 32. Согласно стандарту TIA/EIA-485, интерфейс RS-485 по сравнению с RS-422 имеет более широкий диапазон синфазного напряжения (-7…12 В вместо ±7В) и несколько меньший диапазон дифференциального напряжения (±1,5 В вместо ±2 В), что обеспечивает достаточный уровень сигнала приемника при максимальной нагрузке линии. Используя расширенные возможности многоточечной шины данных, можно создавать сети устройств, подключенных к одному последовательному порту RS-485. Благодаря высокой помехоустойчивости и возможности многоточечных подключений RS-485 является наилучшим среди последовательных интерфейсов для использования в промышленных распределенных системах, подключаемых к программируемому логическому контроллеру (PLC), графическому контроллеру (HMI) или другим контроллерам для сбора данных. Поскольку RS-485 является расширенным вариантом RS-422, все устройства RS-422 могут подключаться к шине, управляемой ведущим устройством RS-485. Типичные области применения для RS-485 аналогичны перечисленным выше областям применения RS-422, при этом более частое использование RS-485 объясняется его расширенными возможностями.

RS-485 - самый популярный промышленный интерфейс

Стандарт TIA/EIA-485 допускает использование RS-485 на расстоянии до 1200 м. На более коротких дистанциях скорости передачи данных - более 40 Мбит/с. Использование дифференциального сигнала обеспечивает интерфейсу RS-485 более высокую дальность, однако скорость передачи данных уменьшается по мере увеличения длины линии. На скорость передачи данных влияет также площадь сечения проводов линии и число устройств, подключенных к ней. При необходимости получения одновременно большой дальности и высокой скорости передачи данных рекомендуется использовать приемопередатчики RS-485 со встроенной функцией высокочастотной коррекции, например, MAX3291. Интерфейс RS-485 может использоваться в полудуплексном режиме с применением одной витой пары проводов или в дуплексном режиме с одновременными передачей и приемом данных, что обеспечивается использованием двух витых пар (четыре провода). В многоточечной конфигурации в полудуплексном режиме RS-485 способен поддерживать до 32 передатчиков и до 32 приемников. Однако микросхемы приемопередатчиков нового поколения имеют более высокий входной импеданс, что позволяет снизить нагрузку приемника на линию от 1/4 до 1/8 стандартного значения. Например, при использовании приемопередатчика MAX13448E число приемников, подключаемых к шине RS-485, может быть увеличено до 256. Благодаря расширенному многоточечному интерфейсу RS-485 имеется возможность построения сетей различных устройств, подключенных к одному последовательному порту, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Многоточечная полудуплексная приемопередающая система, используемая в промышленных приложениях

Чувствительность приемника составляет ±200 мВ. Следовательно, для распознавания одного бита данных уровни сигнала в точке подключения приемника должны быть больше +200 мВ для нуля и меньше -200 мВ для единицы (рисунок 3). При этом приемник будет подавлять помехи, уровень которых находится в диапазоне ±200 мВ. Дифференциальная линия обеспечивает также эффективное подавление синфазных помех. Минимальное входное сопротивление приемника составляет 12 кОм, выходное напряжение передатчика находится в диапазоне ± 1,5…± 5 В.

Рис. 3. Минимальные уровни сигналов в линии RS-485

Проблемы, связанные с использованием последовательного интерфейса в промышленной среде

Разработчики промышленных систем сталкиваются со сложными задачами по обеспечению их надежной эксплуатации в электромагнитной обстановке, способной вывести из строя оборудование или нарушить работу цифровых систем передачи данных. Одним из примеров подобных систем является автоматическое управление технологическим оборудованием на автоматизированном промышленном предприятии. Контроллер, управляющий процессом, измеряет его параметры, а также параметры окружающей среды, и передает команды исполнительным устройствам либо формирует аварийные оповещения. Промышленные контроллеры представляют собой, как правило, микропроцессорные устройства, архитектура которых оптимизирована для решения задач данного промышленного предприятия. Линии передачи данных топологии «точка-точка» в таких системах подвержены сильным электромагнитным помехам от воздействия окружающей среды.

Преобразователи постоянного напряжения, используемые в промышленном производстве, работают с высокими входными напряжениями и обеспечивают изолированные от входа напряжения для питания нагрузки. Для питания устройств распределенной системы, не имеющих собственного сетевого источника питания, используются напряжения 24 или 48 В DC. Питание оконечной нагрузки осуществляется напряжением 12 или 5 В, полученным путем преобразования входного напряжения. Системам, обеспечивающим связь с удаленными датчиками или исполнительными устройствами, требуется защита от переходных процессов, электромагнитных помех и разности потенциалов земли.

Многие компании, такие как Maxim Integrated, прилагают большие усилия, чтобы интегральные микросхемы для промышленных применений отличались высокой надежностью и устойчивостью к неблагоприятной электромагнитной обстановке. Приемопередатчики RS-485 производства компании Maxim содержат встроенные цепи защиты от высоковольтных электростатических разрядов и импульсных перенапряжений и обладают возможностью «горячей» замены без потери данных в линии.

Защита систем передачи данных от неблагоприятных внешних воздействий

Усиленная защита от ЭСР

Электростатический разряд (ЭСР) возникает при соприкосновении двух противоположно заряженных материалов, вследствие чего происходит перенос статических зарядов и формируется искровой разряд. ЭСР часто возникает при контакте людей с окружающими предметами. Искровые разряды, возникающие при небрежном обращении с полупроводниковыми приборами, могут существенно ухудшить их характеристики или привести к полному разрушению полупроводниковой структуры. ЭСР может возникнуть, например, при замене кабеля или простом прикосновении к порту ввода-вывода и привести к отключению порта вследствие выхода из строя одной или нескольких микросхем интерфейса (рис. 4).

Рис. 4. Результат воздействия электростатического разряда на кристалл микросхемы с недостаточным уровнем защиты

Рис. 5. Упрощенная схема встроенной цепи защиты порта ввода-вывода от ЭСР

Подобные аварии могут приводить к значительным убыткам, так как повышают стоимость гарантийного ремонта и воспринимаются потребителями как следствие низкого качества продукта. В промышленном производстве ЭСР представляет собой серьезную проблему, способную причинить убытки в миллиарды долларов ежегодно. В реальных условиях эксплуатации ЭСР может привести к отказу отдельных компонентов, а иногда и системы в целом. Для защиты интерфейсов передачи данных могут использоваться внешние диоды, однако некоторые интерфейсные микросхемы содержат встроенные компоненты защиты от ЭСР и не требуют дополнительных внешних цепей защиты. На рис. 5 показана упрощенная функциональная схема типовой встроенной цепи защиты от ЭСР. Импульсные помехи в сигнальной линии ограничиваются диодной схемой защиты на уровнях напряжения питания VCC и земли и, таким образом, защищают внутреннюю часть схемы от повреждений. Производимые в настоящее время микросхемы интерфейсов и аналоговые коммутаторы со встроенной защитой от ЭСР в основном соответствуют стандарту МЭК (IEC) 61000-4-2.

Компания Maxim Integrated инвестировала значительные средства в разработку микросхем с надежной встроенной защитой от ЭСР и в настоящее время занимает лидирующие позиции в производстве приемопередатчиков интерфейсов от RS-232 до RS-485. Данные устройства выдерживают воздействие испытательных импульсов ЭСР, соответствующих МЭК (IEC) 61000-4-2 и JEDEC JS-001, непосредственно на порты ввода-вывода. Решения компании Maxim в области защиты от ЭСР отличаются надежностью, доступностью, отсутствием дополнительных внешних компонентов и меньшей стоимостью по сравнению с большинством аналогов. Все микросхемы интерфейсов производства этой компании содержат встроенные элементы, обеспечивающие защиту каждого вывода от ЭСР, возникающих в процессе производства и эксплуатации. Приемопередатчики семейства MAX3483AE/ MAX3485AE обеспечивают защиту выходов передатчиков и входов приемников от воздействия высоковольтных импульсов амплитудой до ±20 кВ. При этом сохраняется нормальный режим работы изделий, не требуется выключения и повторного включения питания. Кроме того, встроенные элементы защиты от ЭСР обеспечивают функционирование при включении и выключении питания, а также в дежурном режиме с низким энергопотреблением.

Защита от перенапряжений

В промышленных применениях входы и выходы драйверов RS-485 подвержены сбоям, возникающим в результате импульсных перенапряжений. Параметры импульсных перенапряжений отличаются от ЭСР - в то время как длительность ЭСР обычно находится в диапазоне до 100 нс, длительность импульсных перенапряжений может составлять 200 мкс и более. Причинами возникновения перенапряжений могут быть ошибки проводного монтажа, плохие контакты, поврежденные или неисправные кабели, а также капли припоя, которые могут образовывать токопроводящее соединение между силовыми и сигнальными линиями на печатной плате или в разъеме. Поскольку в промышленных системах электропитания используются напряжения, превышающие 24 В, воздействие таких напряжений на стандартные приемопередатчики RS-485, не имеющие защиты от перенапряжений, приведет к их выходу из строя в течение нескольких минут или даже секунд. Для защиты от импульсных перенапряжений обычные микросхемы интерфейса RS-485 требуют дорогостоящих внешних устройств, выполненных на дискретных компонентах. Приемопередатчики RS-485 со встроенной защитой от перенапряжений способны выдерживать синфазные помехи в линии передачи данных до ±40, ±60 и ±80 В. Компания Maxim производит линейку приемопередатчиков RS-485/RS-422 MAX13442E/ MAX13444E, устойчивых к постоянным напряжениям на входах и выходах до ±80 В относительно земли. Элементы защиты функционируют независимо от текущего состояния микросхемы, - включена ли она, выключена или находится в дежурном режиме, - что позволяет характеризовать данные приемопередатчики как наиболее надежные в отрасли, идеально подходящие для промышленных применений. Приемопередатчики производства компании Maxim сохраняют работоспособность при перенапряжениях, обусловленных замыканием силовых и сигнальных линий, ошибками проводного монтажа, неправильным подключением разъемов, дефектами кабелей и неправильной эксплуатацией.

Устойчивость приемников к неопределенным состояниям линии

Важной характеристикой микросхем интерфейса RS-485 является невосприимчивость приемников к неопределенным состояниям линии, что гарантирует установку высокого логического уровня на выходе приемника при разомкнутых или замкнутых входах, а также при переходе всех передатчиков, подключенных к линии, в неактивный режим (высокоимпедансное состояние выходов). Проблема корректного восприятия приемником сигналов замкнутой линии данных решается путем смещения порогов входного сигнала до отрицательных напряжений -50 и -200 мВ. Если входное дифференциальное напряжение приемника VA - VB больше или равно -50 мВ - на выходе R0 устанавливается высокий уровень. Если VA - VB меньше или равно -200 мВ - на выходе R0 устанавливается низкий уровень. При переходе всех передатчиков в неактивное состояние и наличии в линии оконечной нагрузки дифференциальное входное напряжение приемника близко к нулю, вследствие чего на выходе приемника устанавливается высокий уровень. При этом запас помехоустойчивости по входу составляет 50 мВ. В отличие от приемопередатчиков предыдущего поколения, пороги -50 и -200 мВ соответствуют значениям ±200 мВ, установленным стандартом EIA/TIA-485.

Возможность «горячей» замены

Рис. 6. Упрощенная структурная схема защиты входа DE при горячей замене

В последовательном интерфейсе для передачи данных в одном направлении используется одна сигнальная линия, по которой информационные биты передаются друг за другом – последовательно.

Начиная с первых моделей в ПЭВМ, имелся последовательный интерфейс (англ. «Serial Interface») – COM-порт (англ. «Communications port»). Этот порт обеспечивает асинхронный обмен по стандарту RS-232. COM-порты реализуются на микросхемах универсальных асинхронных приемопередатчиков (англ. «UART»). Они занимают по 8 смежных 8-разрядных регистров и могут располагаться по стандартным базовым адресам 3F8h (COM1), 2F8h (COM2), 3E8h (COM3), 2E8h (COM4). Порты могут вырабатывать аппаратные прерывания IRQ4 (обычно используются для COM1 и COM3) и IRQ3 (для COM2 и COM4). С внешней стороны порты имеют линии последовательных данных передачи и приема, а также набор сигналов управления и состояния, соответствующий стандарту RS-232C. COM-порты имеют внешние разъемы-вилки DB-25P или DB-9P, выведенные на заднюю панель компьютера. Характерной особенностью интерфейса является применение не ТТЛ-сигналов – все внешние сигналы порта двуполярные. Гальваническая развязка отсутствует – схемная «земля» подключаемого устройства соединяется со схемной «землей» компьютера. Скорость передачи данных может достигать 115200 бит/с.

Стандарт RS-232C описывает несимметричные передатчики и приемники: сигнал передается относительно общего провода – схемной «земли». Логической единице на входе данных (сигнал RxD) соответствует диапазон напряжения от -12 до -3 В; логическому нулю – от +3 до +12 В. Для входов управляющих сигналов состоянию ON (включено) соответствует диапазон от +3 до +12 В, состоянию OFF (выключено) – от -12 до -3 В.Диапазон от -3 до +3 В – зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии считается измененным только после пересечения порога. Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах от -12 до -5 В и от +5 до +12 В.

Интерфейс предполагает наличие защитного заземления соединяемых устройств, если оба они питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

На физическом уровне последовательный интерфейс имеет различные реализации, различающиеся способом передачи электрических сигналов. Существует ряд международных стандартов, родственных RS-232C. На рис. 25 приведены схемы соединения их приемников и передатчиков, а также показаны ограничения на длину линии (L ) и максимальную скорость передачи данных (v ). Несимметричные линии интерфейсов RS-232C имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи. Лучшие параметры имеют двухточечный интерфейс RS-422A и его магистральный (шинный) аналог RS-485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала используются дифференциальные сигналы с отдельной (витой) парой проводов для каждой сигнальной цепи. Поскольку логически эти интерфейсы родственны, допустимо применение несложных преобразователей сигналов, обеспечивающих переход от одного интерфейса к другому (рис.1).